关于电力电子器件的散热分析与方案设计

关于电力电子器件的散热分析与方案设计

赵阳

赵阳

（西安电力电子技术研究所，西安派瑞功率半导体变流技术股份有限公司陕西省西安市710065）

摘要：针对电力电子器件，在简单介绍其热路、热阻的基础上，对其散热器设计、瞬态热路与瞬态热阻进行深入分析，并提出可供参考的散热方案，为实际的设计工作提供参考借鉴。

关键词：电力电子器件；器件散热

器件在通电以后，会在电力变换时消耗一定功率，进而转化成热量，使器件发热，导致器件结温变高。对此，应重视器件散热，避免因温度升高造成失稳和失效。

1热路与热阻

如果两点之间存在温度差，则热能会由高温点向低温点流动。一般器件发热部位是半导体的内部，热量通过其外壳与散热器进入自然环境。如果芯片单位时间内功耗放出的热和散热相等，则温度可以保持稳定，结温将保持不变。以器件中热量发生传导的规律为依据，可以画出热量传导示意图，以及等效热回路示意图。

对于热回路图，它和电路图类似，均可借助电学模拟对热量的传输进行描述。即可将温差视作电压，将单位时间产生的功耗视作电流，将热阻视作电阻，此时，功耗、温差、热阻三者的关系将符合欧姆定律，可表示为：

（1）

小功率运用条件下，通常不采用散热器，此时热阻由两部分组成，即芯片到壳体的热阻和壳体向外界的散热。内热阻和器件所用材料、结构与工艺有直接关系，降低内热阻是设计的关键所在。而外热阻是壳体和散热器接触热阻，由封装、界面是否平整、垫片及密封程度等决定，提高密封程度能降低接触热阻。无论是自然冷却还是经黑化处理后的散热器，在竖直放置后，都能起到降低热阻的作用。而强迫风冷则是减小散热器热阻常用方式，其热阻主要和空气的流动形式及风速等因素有关。如果将液体作为主要散热介质，即液冷，则能更好的降低热阻，其散热器总体积很小，该散热方式在大功率条件下尤其适用。

2散热器设计

对于散热设计，其主要任务在于以总功耗为依据，设计一个满足要求的散热装置或方式，保证芯片温度始终低于要求的额定结温。基于此，应将器件工作特性及额定参数作为依据，对典型工况进行计算，确定避免结温超出要求的散热器及接触热阻，为选择合适的散热器提供参考借鉴。不同功率的器件，对其散热器进行设计时，原理基本相同，主要不同为对功耗的计算方式。

针对功率晶体管，若用它对感性负载电流进行控制，则可先以要求为依据对总功耗进行计算，再结合具体要求确定是否需要在某个条件下根据热阻对稳态热阻进行计算。针对壳体直接到散热器这一理想接触形式，热阻可以忽略不计。若不是这种状态，需要根据通用手册确定壳体和安装条件下对应的热阻与器件之间的温度差，再对外部热阻进行计算，最后根据目标选择适宜的散热器[2]。

3瞬态热路与瞬态热阻

上述考虑的均为器件处于恒定功率条件时的稳定状态的热特性，即稳态热路。但若器件处于开关模式，则峰值和平均结温存在明显差异。当电流脉冲持续很长的时间，或占据较大的占空比，则两个结温将十分接近，依然可以采用热阻这一概念。然而，若脉冲的时间很短，或占空比相对较低，峰值结温将超过平均结温。对结温而言，其高低在很大程度上受电流脉动影响，包括其形状、重复频率及持续时间。在这种情况下，以上概念将无法使用，要引入新的概念，即瞬态热阻。

瞬态热阻能直接反映出传热体具有热惯性，器件通过恒定不变的功率时，因器件具有一定热容量，所以温度会不断升高；切断这一功率后，温度将快速下降。可见，无论升温还是降温，都存在瞬态的过程。该过程也可使用热路图进行模拟。

瞬态热阻伴随通电持续时间的变化而发生变化，可使用曲线予以表示，瞬态热阻还可称作热阻抗曲线。散热器或者是器件的曲线均可采用实测法获得。实际上，热阻是负载占空比与导电时间之间的数学函数。每一种功率导通脉宽与占空比都对应不同热阻。

4散热方案

实际应用过程中，从器件使用者角度讲，为对结温进行限制，可将降低外部热阻作为出发点，采取有效措施，降低接触与散热器的热阻，从而实现预期的散热目标。以下就从接触、散热器热阻和散热方式三个角度论述并提出散热方案。

（1）接触热阻

当器件在正常条件下运行时，接触热阻由散热器和器件装配质量决定。装设散热器的台面应和器件良好接触，形成符合要求的导热、电面。因不同电力电子器件有不同的使用条件与容量，所以需要采用适宜的安装方式。

①接触热阻和器件封装之间的关系

器件有很多种封装形式，不同封装形式对应不同接触热阻。除此之外，对于接触热阻，它还和器件、散热器是否设置垫圈等因素有关。散热器和器件的接触应保持平整，壳体不能受到大气等的侵蚀作用，必要时，需要在器件表面进行镀层。

②安装力和接触热阻之间的关系

按不同容量，可将电力电子器件分成两种，分别为平板式与螺栓式。对于额定平均电流相对较大的器件，多采用平板式，辅以双面冷却。为有效降低热阻，对于螺栓式器件，应有足够的锁紧力矩，对于平板式，则应有足够压紧力。

（2）散热器热阻

散热器既可以采用对流方式进行散热，也可采用辐射方式。对于散热器热阻，它是指环境到散热器的热阻，和散热器所用材料、结构类型、颜色、设置位置、环境温度等有关。散热器质地主要有两种，分别为铝质与铜质，其中，铜质散热器，其表面支持涂漆与阳极氧化处理。通常，对散热器表面进行黑化处理能取得较好的效果。从散热器结构角度讲，如果增加散热器的长度，则可以降低其热阻，而当长度超过一定条件，则降低热阻的幅度将变小。

（3）散热方式

对散热器而言，主要有以下四种冷却方式：①散热器自冷；②风冷却；③液冷；④沸腾冷却。其中，以沸腾冷却的散热效率为最高。

5结束语

综上所述，对稳态与瞬态两种实际情况下的电力电子器件热阻及热路实施了深入分析，并给出相应的散热方式，此类散热方式在当前大部分器件中都有良好参考价值，提高器件的散热水平。

参考文献：

[1]翁建华，刘腾辉，崔晓钰.微槽道及其在电子器件散热中的应用[J].新技术新工艺，2016（02）：52-55.

[2]潘洋，梁琳，常文光.电力电子器件封装模块的散热特性[J].通信电源技术，2014，31（02）：4-7.