IGBT 模塊散熱設(shè)計(jì)分析

劉 剛

（湘潭電機(jī)股份有限公司，湖南 湘潭 411100）

0 引 言

絕緣柵雙極型晶體管IGBT 是近年來常用的功率器件，其應(yīng)用環(huán)境決定了其必須具有高度的熱可靠性。根據(jù)相關(guān)研究顯示，IGBT 壽命周期內(nèi)將經(jīng)受外界溫度變化、106～107次功率循環(huán)，當(dāng)工作溫度升高時(shí)，IGBT失效的風(fēng)險(xiǎn)隨之增大，對(duì)此加強(qiáng)IGBT 模塊散熱設(shè)計(jì)分析具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 IGBT 模塊介紹

IGBT 模塊是集成電力電子模塊重要器件，被廣泛用于電動(dòng)汽車、不間斷電源、風(fēng)力渦輪機(jī)等，在工業(yè)領(lǐng)域扮演了極為重要的角色[1]。IGBT 兼具M(jìn)OSFET、GTR 優(yōu)勢(shì)[2]，集合了高頻、高壓、大電流等特點(diǎn)，可有效節(jié)能減排，是未來應(yīng)用發(fā)展必然方向。

近年來，隨著功率模塊小型化的發(fā)展與功率等級(jí)的不斷提高，IGBT 模塊不可避免的會(huì)散發(fā)更多熱量，然而一旦過熱將直接威脅IGBT 運(yùn)行可靠性，由此加強(qiáng)IGBT 模塊散熱設(shè)計(jì)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 IGBT 模塊散熱方法分析

2.1 散熱方法

近些年，基于電力電子器件的實(shí)際發(fā)展情況，對(duì)散熱方面的研究不斷深入，應(yīng)用較為普遍的散熱方法有風(fēng)冷、液冷、熱電制冷、熱管制冷等[3]。為實(shí)現(xiàn)熱量更好的散發(fā)，需對(duì)IGBT 模塊外部散熱裝置、芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面優(yōu)化。根據(jù)相關(guān)研究可知，液冷換熱系數(shù)更高、效果更佳，風(fēng)冷則成本相對(duì)較低，對(duì)此需熱設(shè)計(jì)工作者根據(jù)實(shí)際情況合理選擇散熱方式。

2.2 散熱設(shè)計(jì)步驟

IGBT 模塊散熱設(shè)計(jì)工作步驟[4]的歸納分析如下：

第一步，按元件負(fù)載情況，計(jì)算功率元件損耗；

第二步，經(jīng)驗(yàn)法估算散熱系統(tǒng)熱阻，使用熱阻等效電路法計(jì)算功率元件、散熱器溫度場(chǎng)分布情況；

第三步，全面分析功率元件最高允許結(jié)溫、溫度場(chǎng)分布、實(shí)際環(huán)境條件，確定最佳散熱方案。

2.2.1 熱阻等效電路

熱阻等效電路如圖1 所示，PTr、PD、Pe為單個(gè)IGBT 總損耗、續(xù)流二極管總損耗、其他發(fā)熱元件損耗；Tj-Tr、Tj-D、Tj-e為IGBT、續(xù)流二極管、其他發(fā)熱元件的結(jié)溫；R(j-c)Tr、R(j-c)D、R(j-c)e為單個(gè)IGBT、續(xù)流二極管、其他發(fā)熱元件的結(jié)溫區(qū)至外殼熱阻；Rc-a、Rc-s、Rs-a為元件外殼至大氣、散熱器以及散熱器至大氣的熱阻；Ta、Tc、Ts為環(huán)境、IGBT 外殼、散熱器表面的溫度。

圖1 散熱系統(tǒng)熱阻等效電路圖

2.2.2 熱阻參數(shù)

根據(jù)圖1 分析可得：

（1）R(j-c)Tr、R(j-c)D、R(j-c)e影響因素為功率元件材料、結(jié)構(gòu)；

（2）Rc-s影響因素為散熱器與模塊表面接觸狀況；

（3）與Rc-s、Rs-a相比，Rc-a數(shù)值十分大，由此Rc-s、Rs-a并聯(lián)時(shí)可忽略；

（4）多采用經(jīng)驗(yàn)法，獲得Rs-a值。

2.2.3 各點(diǎn)溫度計(jì)算

根據(jù)熱阻等效電路可確定各熱阻值，進(jìn)一步分析溫度分布情況，具體可參考公式：

式中：Ptot為模塊總損耗。

2.2.4 散熱器設(shè)計(jì)

目前，肋片散熱器應(yīng)用較多，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但需設(shè)輔助風(fēng)道，對(duì)風(fēng)機(jī)性能提出了更高的要求[5]。因此，IGBT 散熱設(shè)計(jì)時(shí)，需重視結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，全面降低熱阻，切實(shí)滿足功率元件散熱要求。

3 實(shí)例分析IGBT 模塊散熱設(shè)計(jì)

本文僅以一個(gè)DCDC 模塊的水冷板設(shè)計(jì)為例展開分析，詳細(xì)描述如下。

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

該DCDC 模塊包含4 個(gè)IGBT 模塊和1 個(gè)電感模塊，水冷板及器件布局如圖2 所示。

圖2 水冷板及器件布局圖

本模塊相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

（1）IGBT 型號(hào)：英飛凌 FF450R17ME4。

（2）IGBT 散熱要求：每個(gè)IGBT 散熱功率為 1.25 kW，共計(jì)5 kW；IGBT 底板溫度不能超過75 ℃。

（3）電感模塊散熱要求：電感模塊散熱功率為 4 kW；電感底板溫度不超過85 ℃。

（4）環(huán)境最高溫度：45 ℃。

（5）水冷循環(huán)介質(zhì)：滿足零下-40 ℃不結(jié)冰。

（6）水冷板材料：航空鋁6061。

（7）IGBT、電感的水冷散熱底板進(jìn)出水口溫升不超過4 ℃。

3.2 設(shè)計(jì)思路

（1）水循環(huán)介質(zhì)

水循環(huán)介質(zhì)需滿足-40 ℃不結(jié)冰要求，查表后選擇體積濃度52%的EGW 溶液。52%的EGW 溶液在65 ℃時(shí)的物理性質(zhì)如表1 所示。

（2）估計(jì)流量

IGBT、電感的水冷散熱底板進(jìn)出水溫升k≤4 ℃，DCDC 模塊總發(fā)熱量Q=9 kW，體積流量計(jì)算公式如下：

將相關(guān)參數(shù)代入式（2）計(jì)算體積流量為37.7LPM，初步使用40LPM 進(jìn)行計(jì)算。

（3）水道設(shè)計(jì)

水冷板水道設(shè)計(jì)如圖3 所示，建立三維模型，水道等效管徑DN25 mm，導(dǎo)入ANSYS Workbench 進(jìn)行熱分析計(jì)算，設(shè)定相關(guān)參數(shù)和邊界條件。

圖3 水冷板水道設(shè)計(jì)示意圖

由計(jì)算分析結(jié)果可知：水冷板進(jìn)口、出口溫度 63 ℃、66.9 ℃，IGBT 與水冷板接觸位置最高溫度 75 ℃，電感模塊與水冷板接觸位置最高溫度81.7 ℃。滿足DCDC 模塊設(shè)計(jì)參數(shù)需求。

4 結(jié) 論

IGBT 模塊運(yùn)行期間不斷產(chǎn)生發(fā)電熱效應(yīng)，工作溫度提高后，將由于熱疲勞的問題影響工作性能，甚至出現(xiàn)故障問題。由此，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需做好相關(guān)計(jì)算分析，合理確定IGBT 散熱功率、運(yùn)行溫度要求，科學(xué)選擇散熱方法與材質(zhì)，滿足散熱要求。