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    IGBT模塊的散熱技術發展

    日期:2022-06-10 11:52
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    摘要:IGBT模塊的散熱技術發展
    IGBT模塊散熱技術
            散熱的過程
    1 IGBT在結上發生功率損耗;
    2 結上的溫度傳導到IGBT模塊殼上;
    3 IGBT模塊上的熱傳導散熱器上;
    4 散熱器上的熱傳導到空氣中。
    散熱環節 影響散熱程度 影響因數 解決辦法
    1總發熱功率 *主要因數 運行電流電壓 改變電壓電流開關頻率
    2 結殼熱阻次要 模塊工藝
    3 殼到散熱器熱阻次要 散熱器材料 粘貼材料
    4 散熱器到環境熱阻*要 散熱方式 散熱材料散熱方式 散熱材料
    如果IGBT模塊一定時,IGBT結殼之間的熱阻一定,IGBT殼與散熱器的熱阻與散熱器材料和接觸程度兩個方面有關,但此處熱阻較小,散熱器的材料及接觸程度的改變對整個散熱過程影響較小。*換言之就是主要影響散熱的是兩個方面,一是總的損耗,二是散熱器熱阻。但是往往鑒于輸出功率及實際工況的限制,IGBT的總功率損耗是不可以改變的。所以散熱的問題主要就是怎么改變散熱器到空氣或其他介質之間熱阻的問題。
    二、常規解決散熱主要方法
    功率器件的耗散功率所產生的溫升需由散熱器來降低,通過散熱器增加功率器件的導熱和輻射面積、擴張熱流以及緩沖導熱過渡過程,直接傳導或借助于導熱介質將熱量傳遞到冷卻介質中,如空氣、水或水的混合液等。目前常用到的冷卻方、式為強制空氣冷卻、循環水冷卻、熱管散熱器冷卻等。
    1、空氣自然散熱
    空氣自然散熱是指不使用任何外部輔助能量,實現局部發熱器件向周圍環境散熱達到溫度控制的目的。通常包含導熱、對流和輻射,適用于對溫度控制要求不高、器件發熱的熱流密度不大的低功耗器件和部件,以及密封或密集組裝的器件不宜(或不需要)采用其他冷卻技術的情況。這種散熱器效率很低,不適合用于大功率器件中。由于它的結構簡單、無噪音、免維護,特別是沒有運動部件,所以可靠性高,非常適用于額定電流在以下的器件。
    2、強制空氣冷卻
    強制對流風冷散熱特點是散熱效率高,其傳熱系數是自冷式散熱效率的2-5倍。強制對流風冷散熱分兩部分:翼片散熱片和風扇。熱源直接接觸的翅片散熱器,其作用是將熱源發出的熱量引出,風扇用來給散熱器強制對流冷卻降溫。
    從而強制空氣冷卻主要與散熱器材料、結構、翼片有關。
    風速越大,散熱器熱阻越小,但流動阻力越大,因此應適當提高風速來降低熱阻。風速超過一定值之后再提高風速對熱阻的影響就非常小了。
    散熱器材料質量特性對散熱效率有顯著影響。紫銅導熱系數相當于工業純鋁的2倍,在相同散熱效率下,紫銅散熱器的體積為鋁質散熱器的1/3一1/2。由于銅的比重大,價格高,一般較少應用。
    風冷散熱結構簡單,價格低廉,安全可靠,技術成熟,但不能將溫度降至室溫以下。因需配備風機,因而噪聲大,容易吸人灰塵,可靠性相對降低,有一定維護量,且風扇壽命受時間限制。
    3、液態冷卻方式
    液態冷卻將導熱系數較之氣體冷卻可顯著提高。對于功率密度大的電力電子裝置而言,液體冷卻是很好的選擇。液體冷卻系統利用循環泵來保證冷卻液在熱源和冷源之間循環,以交換熱量。
    水冷式散熱器水冷式散熱器的散熱效率極高,等于空氣自然冷卻換熱系數的100-300倍。以水冷式散熱器代替風冷式散熱器,可大大提高器件的容量。但是,由于普通水的絕緣性較差,水中存在的雜質離子會在高電壓下導致電腐蝕和漏 電現象,只有在低電壓,才可以采用普通水冷卻。為使上述水冷系統進人高壓大功率電力電子領域,必須解決冷卻水的純度和長期運行時系統的可靠性及腐蝕兩大問題,且水冷卻方式需要有水循環與處理設備,設備復雜。
    油冷式散熱器由于油的冷卻性能比空氣好,同時也由于將閥體安裝在油箱中可以免受環境條件的影響,具有很高的絕緣性和電磁屏蔽效果,所以曾在高壓大功率電力電子裝置中得到相當廣泛的應用。但由于水冷系統不論從冷卻效果還是環境影響方面均具有明顯的優勢,所以近年來油冷系統似乎已漸漸淡出高壓大功率變流器領域。
    4、管散熱器
    熱管散熱方案設計及實現熱管是一種高效能的傳熱元件,它以獨特的傳熱方式,實現了超常的傳熱效果。典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成,將管內抽成1.3*(0.1~0.0001)Pa的負壓后充以適量的工作液體,使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發段(加熱段,另一端為冷凝段(冷卻段),根據應用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發汽化,蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體,液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。如此循環,熱量由熱管的一端傳至一另端。其優點是,具有傳熱能力強,是紫銅的10倍,、均溫能力優良、熱密度可變、無外加設備、工作可靠、結構簡單,重量輕、不用維護等優點,熱管傳熱速度且噪音低,使用壽命長,缺點是價格昂貴。但隨著技術水平的提高及大規模的工業化生產,熱管必將成為未來主流的散熱器產品,是下一代散熱器的優選技術。
    熱管散熱器一般適用于大功率、分立元件的場合在一些特殊的生產工況如粉塵比較多的地方煤礦、焦化廠、部分化工廠可以采用熱管散熱器,因為可以做到整個功率變換部分的密閉性。國內的電力電子變換器行業多年前已采用熱管散熱器。
     
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