變頻控制器的散熱應用研究

楊 帆，范立榮

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070）

0 引 言

在變頻領域，控制器是不可缺少的重要組成部分，隨著國家標準的提高，控制對象的復雜，人們對安全的重視，要求控制器滿足的性能指標也越來越多。

變頻控制器主要包含整流和逆變兩部分，在實現這個過程時，不可避免地使用很多發熱元件。本文簡單陳述傳統散熱處理方案（以結構人員進行散熱處理為主），包含散熱器設計、冷卻方法設計兩方面。但隨著功率等級的提高，簡單的結構處理已經不能滿足設計要求，越來越多功率元件的應用反而成為控制器設計人員和結構設計人員棘手的事情。在此基礎上，需要針對控制器方案進行優化，在拓撲、元件材料以及散熱方式上給出新的方案。

1 功率器件散熱影響因素

功率管是電路中最容易受到損壞的器件，損壞的原因大部分是由于半導體的實際耗散功率超過了額定值［1］。一般而言，物體間的溫差越大，溫度高的物體向低的物體傳遞熱量越多。根據熱傳輸的相關理論，得到如下公式：

式中，Tj為半導體節溫；Ta為環境溫度；PCM為半導體損耗；RT為等效熱阻

從式（1）可以看出，若Ta一定（以25℃為基準）條件下，則管子等效熱阻RT越小，管耗PCM越小，電路就可以工作在更大的功率，保證Tj可以控制在元器件要求范圍內。

下面從管耗、半導體散熱途徑和熱阻、外環境因素等方面分析元件散熱。

管耗PCM作為熱源，其發熱量越小，相應的散熱條件要求越低，因此努力減小功率元件發熱量就從源頭上減輕了散熱的難度。另外一個重要的影響因素就是散熱路徑上的熱阻，熱阻的大小對于散熱至關重要。如圖1所示，半導體熱量按照圖中虛線箭頭方向傳導，每一部分的熱阻都會影響散熱。

從管芯到環境之間有兩條散熱途徑：管芯（J）到外殼（C－Case），通過外殼直接向環境（A）散熱，其熱阻大小為：

式中，Rjc為結到外殼的熱阻；Rca為外殼到環境的熱阻?；蛲ㄟ^散熱器（S）向環境散熱，其熱阻大小為：

圖1 半導體散熱的示意圖

式中，Rcs為外殼到散熱器的熱阻；Rsa為散熱器到環境的熱阻。

總熱阻為式（2）和式（3）兩者并行作用，因此減小路徑中每一處的熱阻對于散熱都會起到很大幫助。

最后一個影響因素就是外環境。假設外環境溫度恒定，在有風道設計和自然散熱條件下，功率器件的冷卻效果截然不同。圖2為一塊散熱器在不同條件下熱阻的對比圖，顯而易見的是，風道的設計更有利于散熱［2］。

圖2 不同外環境熱阻對比

2 傳統散熱處理方式

2.1 散熱器的選擇

線性電源芯片、PFC模塊、IPM模塊等元器件自身發熱比較嚴重，通過模塊自身的自然散熱已經無法滿足半導體工作要求，需要增加散熱器來輔助散熱。因此散熱器設計的好壞直接影響元器件散熱是否良好。

散熱器主要依靠與空氣對流來散熱，有各種形狀、尺寸供不同器件安裝和不同功耗的器件選用，圖3所示為線性電源使用的散熱器，圖4為功率模塊使用的散熱器。散熱器的散熱效果主要由下幾個方面決定。

圖3 線性元件散熱器

圖4 功率模塊散熱器

2.1.1 型材的選擇

從材料的導熱性能來看，銀最好、銅、金次之、然后是鋁。金、銀的價格相對昂貴，不適宜大量使用。銅的導熱性比鋁好，但是銅比鋁質量大一倍而且加工成形差，只能制作成簡單的形狀。鋁的導熱性良好、重量輕、比銅便宜而且耐腐蝕、利用加工設備可以制成各種復雜的形狀，能滿足電子電力行業對散熱器的諸多要求，因此被認為是制作散熱器的最佳材料。但是對于體積狹小、價格不作過多要求的場合，其他導熱性能好的材料往往成為首選。

2.1.2 散熱器的表面顏色

通常散熱器的表面顏色制成銀白色、黑色，在自然散熱的條件下，黑色的熱輻射能力強，散熱效果好，而在強制風冷或其他條件下，顏色對散熱性能沒有影響。

2.1.3 翅片及相關參數的影響

熱阻隨著翅片間距，翅片／基板長度和翅片／基板寬度的變化而大范圍波動，翅片間距的增大將導致翅片總數目的減少，即減少熱對流的總面積，減小翅片間距將影響相鄰翅片間的空氣流動，增加翅片厚度可以減少翅片總數目和散熱器的尺寸，導致熱阻的增大，如圖5所示。從上面的表述來看，尺寸之間是矛盾的，結構人員要根據元器件功耗設計出一個最佳尺寸圖，而且還需要針對具體的應用空間設計最佳的安裝形狀。

圖5 散熱器結構圖

2.2 冷卻方法的選擇

從圖6中可以看出，在不同的冷卻方式下，同等損耗的散熱器溫升效果不同，因此對于有條件的場合可以選擇最佳的冷卻方式。從圖7中可以看出，流體速度也會有很大影響。

3 控制器新型散熱方式優化

盡管上面列出來很多有利于散熱設計的方法，但是隨著控制器體積、美觀、可靠性等要求不斷提高，在一定程度上仍然無法滿足散熱要求，因此需要從其他方面尋找突破口。

3.1 拓撲優化

3.1.1 電路拓撲優化

圖6 冷卻方式的溫升對比

圖7 熱阻與空氣流速關系

在變頻控制器電路中，PFC（功率因數校正）電路的使用越來越多，包括有橋PFC拓撲、無橋PFC拓撲［3］（圖8），最近一種新的拓撲——交錯式 PFC 拓撲［4］更多地被應用（圖9），其優點之一就是降低元器件損耗。

圖8 無橋PFC拓撲

圖9 交錯式PFC拓撲

簡單分析，假設電源AC流過的電流為I，周期為一個電源周期，無橋和交錯式拓撲開關管和二極管特性完全相同，電阻為R。無橋PFC拓撲結構的半導體損耗為：

交錯式PFC的半導體損耗為：

且Pw／Pj＝6／5，交錯式可以降低1／6的損耗，由于交錯式電路后端電流降低一半，對應元件價格降低，更好選型，體積也小很多。另外，交錯式拓撲使用的元件在散熱器上的排布更分散，所以熱處理相對更容易。

3.1.2 輔助電路拓撲優化

在IGBT構成的大功率高頻電路中，由于電路中存在一定的雜散電感和電容，關斷時主電路的電流急劇變化，雜散電感上會誘發較高的電壓沖擊，使IGBT在關斷瞬間承受很大的浪涌電壓。另外，與IGBT反并聯的續流二極管反向恢復時兩端電壓異常升高，也會產生與關斷相似的浪涌電壓。關斷浪涌電壓和續流二極管恢復浪涌電壓的存在，會影響IGBT的正常工作，導致開關損耗加大、使IGBT過熱，嚴重時甚至造成IGBT損壞。

如圖10所示，采用RCD電路吸收浪涌和噪聲，將這部分能量消耗在電阻R上面，從而避免積聚在開關管上面，引起開關管過熱損壞。

圖10 RCD吸收電路

3.2 散熱方式優化

空調機組，以往通常采用自然冷卻或風冷，其效果如圖6所示，但在實際驗證中仍然不能滿足大功率機組要求。近幾年發展起來的冷媒冷卻技術很好地解決了這個問題，同時散熱器的尺寸僅為風冷的1／5左右，提高散熱效果的同時，也大大節省了空間（圖11）。

冷媒冷卻技術是熱管技術的一種變相應用，相對于熱管技術而言，冷媒結構設計更簡單，僅僅讓冷媒管通過散熱器，并沒有對冷媒管和散熱器片做特殊處理，圖12為熱管技術應用的散熱器。

3.3 元件性能優化

隨著半導體技術不斷突破，元器件損耗也越來越小，近幾年剛剛興起的SiC技術已經應用到變頻器上。SiC物料優秀的反向恢復特性，不僅可以提高開關特性，而且在能量損耗方面也有突出的優勢。

圖11 冷媒散熱結構圖

圖12 熱管散熱器

從圖13可以看出，SiC物料的反向恢復時間極短（粗黑線），在底部形成的包絡面積更小，因此對應的損耗也會大大降低。

圖13 SiC半導體反向恢復電流曲線

3.4 PCB散熱處理

對于主板上的元器件來講，PCB板自身也是一個很好的“散熱器”，這一點往往被大家遺忘。因此，一個好的PCB板設計，一定是包含熱設計在內的。PCB板散熱方案如下：

圖14 PCB板元件排布

（1）加大走線銅箔或者大面積鋪銅；

（2）發熱元件分散排布（發熱元件放置在主板底部位置為最佳）；

（3）發熱元件緊貼PCB安裝；

（4）走線漏銅箔并補焊加錫；

（5）發熱元件放置在進風口位置如圖14。

4 電器組件新型散熱方式設計

電器組件可靠性與散熱密切相關。由于電器組件散熱的要求而導致電器組件無法密封，從而使灰塵、鹽霧、雨水侵蝕電器部件，大大降低電器組件可靠性，在一些對防護等級要求高的應用中，還不能使用風冷設計，大大增加了電器組件設計難度。

目前市場上已經出現了無風扇電器組件設計，不再使用風冷設計，散熱器采用自然散熱處理方式，從而提高電器組件可靠性，降低維護成本。其通常采用銅鋁復合、熱管、均溫板等強化方式減小熱阻，提升散熱器散熱能力。

電器組件內部采用擾流風扇來改善內部熱點和提升腔體散熱能力，擾流風扇處于腔體內部，不存在防護問題，即使失效，對整體散熱能力和功率影響不大。

5 結 論

總體來說，隨著功率等級、生產效率和客戶審美要求的提高，對功率元件的散熱要求也越來越高，新技術和新物料的應用，使這些難題逐個突破。目前正在使用的熱仿真技術也大放光彩，為熱設計提供了一條更好的模擬通道。相信在以后的熱設計中，科技人員能夠在提高效率的同時，設計出客戶更滿意的產品。

［1］ 袁立強，趙爭鳴.電力半導體器件原理與應用［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［2］ 游 斌，馬麗華.空調室外機熱氣流分析與優化研究［J］.順德職業技術學院學報，2009，（04）：35－38.

［3］ 孫豐濤，楊 帆.單相大功率無橋有源PFC在變頻空調中的應用［J］日用電器，2013，（07）：12－15.

［4］ 范立榮，孫豐濤，李 輝.基于單相交錯式并聯PFC的Saber仿真應用研究［J］.通信電源技術，2014，（01）：56－58.