富士IGBT模块应用手册 -6章 散热设计方法

富士IGBT模块应用手册

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第 6 章

散热设计方法

目 录

1. 发生损耗的计算方法........................................................................................6-2 2. 散热器（冷却体）的选定方法..........................................................................6-7 3. IGBT模块的安装方法.....................................................................................6-10

本章对散热设计进行说明。

为了使IGBT安全工作，必须确保结温（Tj）不超过Tj max。当然，不仅在额定负荷的范围内时需要确保，在超负荷等异常情况下，也必须控制在Tj max以下。因此，进行热设计时要保证有充分余量。

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1 发生损耗的计算方法

1.1 关于损耗

IGBT模块由IGBT部和FWD部构成，它们各自发生的损耗的合计即为IGBT模块整体的发生损耗。另外，发生损耗的情况可分为稳态时和交换时。如对上述内容进行整理可表述如下。

发生损耗的原因

IGBT模块单位元

件的总发生损耗（Ptotal）

仅晶体管部的损耗 （PTr）

仅FWD部的损耗 （PFWD）

稳态损耗 （Past） 交换损耗 （Psw）

开通损耗（Pon）

关断损耗（Poff）

稳态损耗（PF）

交换损耗（反向恢复损耗）（Prr）

无论IGBT部还是FWD部的稳态损耗均可通过输出特性计算。同时，交换损耗能通过交换损耗-集电极电流特性计算。根据计算出的发生损耗进行散热设计，保证结温Tj不超过设计值。

因此，在此使用的通态电压和交换损耗的值，通常使用结温Tj为设计值（推荐Tj=125℃）时的数据。 这些特性数据均记载在说明书中，请参考。

1.2 使用DC斩波器时发生损耗的计算方法

使用DC斩波器时，可以将IGBT或FWD中流过的电流认为是连续的矩形波，从而简单地进行近似计算。（sat）、Eon、图 6-1即表示近似的DC斩波器的波形，集电极电流为IC时的饱和电压、交换损耗分别为VCEEoff，FWD正向电流为IF时的通态电压、反向恢复损耗分别为VF、Eon、Eoff，发生损耗可如下计算：

IGBT发生损耗（W）=稳态损耗+开通损耗+关断损耗

t1/t2 VCE(sat) IC fc Eon Eoff

FWD发生损耗（W）=稳态损耗+反向恢复损耗

(1 t1/t2 ) IF VF fc Err

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IC

0AID

0A

キャリア周波数　fC　=　1/t2载流子频率fc=1/IGBTオンduty=　t1t/t22 FWDオンduty=　/t 1t22 IGBT导通duty=t1- 1t/FWD导通duty=1-t 1/t 2

图 6-1 DC斩波器波形

实际上，直流电源电压和门极电阻值等条件与说明书上记载的内容可能有差异，在这种情况下，可以按照下面的规则进行简略计算。

直流电源电压Ed（Vcc）不同时 ·

通态电压：不受Ed（Vcc）影响 交换损耗：与Ed(Vcc)成比例

·门极电阻值不同时

通态电压：不受门极电阻值影响

交换损耗：分别与交换时间成比例，取决于门极电阻值

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1.3 正弦波VVVF变频器应用时发生损耗的计算方法

FWD側電流FWD侧电流

2IM

图 6-2 PWM变频器的输出电流

通过VVVF变频器等进行PWM控制时，如图 6-2所示，由于电流值与动作状态始终在变化，因此发生损耗的详细计算需要运用计算机模拟技术等。但是，由于其计算方法过于复杂，在此介绍一下运用近似式进行简略计算的方法。

1) 前提条件

在进行计算时，以下列内容为前提条件。

·应为正弦波电流输出三相PWM控制VVVF变频器 ·为通过正弦波、三角波比较的PWM控制 ·输出电流为理想的正弦波

2) 稳态损耗（Psat、PF）的计算方法

IGBT和FWD的输出特性如图 6-3所示，从说明书的数据可以得出近似值。

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因此，稳态损耗为

x

)IGBT侧的稳态损耗 Psat DT

0

ICVCE(

sat)

d

1

22DT 2I MVO IM2 R

FWD侧的稳态损耗 P F 1

222DF

I MVO IM2R 在此，DT、DF：在输出电流半波上的IGBT及FWD的平均导通率

在输出电流半波上的IGBT及FWD的平均导通率为如图 6-4所示的特性。

A(）

FIはAICい（V0＋R FるI或R IF

あCIICV0

VCEあるいはVCE或IF（A）

VF(V)图 6-3 输出特性近似

-1-0.50

0.51

功率因数：cos力率：　cos　ΦΦ

图 6-4 在正弦波PWM变频器中功率因数和导

通率的关系

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3) 交换损耗

交换损耗-IC特性，如图 6-5所示，一般以下式作近似计算。

Eon Eon' IC/额定IC a

　)J失(Eoff Eoff' IC/额定IC b

損）

JグErr Err c

ン（' IC/额定IC

チ耗ッ损a、b、c：乘数

イ换ス交Eon′、Eoff′、Err′：额定IC时的Eon、Eoff、Err值。

因此，交换损耗如下表示：

·开通损失（Pon）

Pon fo

n

Eon k （n：半周期间的交换次数=fc／2fo） K

1

foEon'

1额定 n

Ia

kCa

Ck

1

foEon'

n

额定Ca´

2Masin d

≒foEon'1

额定nICa

Ma

1

IMa

2fcEon' 额定C

1

2

fcEon IM

Eon（IM）：IC=IM时的Eon

·关断损耗（Poff）

Poff≒12

fcEoff IM

Eoff（IM）

：IC=IM时的Eoff

·FWD反向恢复损耗（Prr）

Poff≒12

fcErr IM

Err（IM）

：IC=IM时的Err

第 6 章 散热设计方法

IC　(A)

定格额定IICC

　图 6-5 交换损耗的近似

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4) 全发生损耗（总发生损耗）

根据2）和3）项的计算结果，

IGBT部发生损耗为：PTr = Psat + Pon + Poff， FWD部发生损耗为：PFWD = PF + Prr

实际上，直流电源电压与门极电阻等与说明书记载的内容可能有差异，与1.2项采用同样的思路，可作简略计算。

2 散热器（冷却体）的选定方法

电力用二极管、IGBT、晶体管等功率模块中，电极部和安装基板多数情况下被绝缘，由于在一个散热器上可以安装多个元件使用，所以实际安装时既容易，又可以实现紧凑配线。为了让这些元件能够安全地工作，工作时需要使各元件产生的损耗（热）高效散发，因此选择散热器起了关键性作用。以下阐述选定散热器的基本思路。

2.1 稳态的热方程式

半导体的热传导可以将它变换为电路予以解释。这里考虑仅将IGBT模块安装到散热器上的情形。此时，就热量而言，可以转换为如图6-6所示的等效电路。

W(W)

Tj

Rth(j-c)

(j

Tc

W ：発生損失W：发生损耗Tj：芯片结温Tj：チップ接合温度Tc：模块外壳温度Tc：モジュールケース温度Tf：散热器表面温度Tf：ヒートシンク表面温度

Rth(c-f)

Tf

Rth(f-a)

（模块安装部附近的温度）（モジュール取付部近傍温度）To：周围温度Ta：周囲温度Rth（j-c）：结-外壳间的热阻Rth(j-c) ：接合－ケース間熱抵抗

Rth（c-f）：外壳-散热器间的热阻R th(c-f) ：ケース－ヒートシンク間熱抵抗Rth（f-a）：散热器-周围间的热阻

R th(f-a) ：ヒートシンク－周囲間熱抵抗

Ta

图6-6 热阻的等效电路

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通过上述的等效电路，结温（Tj）可以由下列热方程式求得。

Tj W Rth j c Rth c f Rth f a Ta

但是，这里所说的外壳温度Tc和散热器温度Tf是如图6-13所表示位置的温度。如图6-7所示，此外各点的温度都测定时均低于实际值，并且由于它受散热器散热性能的制约，设计时有必要注意。 下面，安装IGBT（2元件模块）时的等效电路实例以图6-8表示。此时，热方程式为：

Tj(d) Wd Rth(j c)d Rth(c f)d Wd 2WT 2WD Rth(f a) Ta

Tj(T) WT Rth(j c)T (WT WD) Rth(c f)T Wd 2WT 2WD Rth(f a) Ta Tj(D) WD Rth(j c)D (WT WD) Rth(c f)T Wd 2WT 2WD Rth(f a) Ta

根据这些公式，请在确认Tj未超出Tj max的条件下选择散热器。

A：モジュールの裏面のチップ直下A：模块的背面的芯片正下方

B：モジュール裏面のA点より14mmの点B：距模块背面A点14mm的点

C：モジュール裏面のA点より24mmの点C：距模块背面A点24mm的点

TC (°C) Tf (°C)

A点 51.9 45.4

B点 40.2 36.9

C点 31.4 30.2

图6-7 外壳温度测定实例

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Diode bridge module

桥式二极管模块

Wd

Rth(j-c)d

Rth(c-f)d

Wd、Tj（d）、Rth（）d ：桥式二极管（1个模块）

WT、Tj（T）、Rth（）T ：IGBT（各元件） WD、Tj（D）、Rth（）D ：FWD（各元件）

图6-8 热阻的等效电路实例

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2.2 瞬态的热方程式

一般情况下，虽然如前面所述，从平均发生的损耗考虑稳态的Tj已经足够，但实际上每次反复交换产生的损耗是脉冲状态的，因此形成了如图6-10所示的温度脉动。这种情况下，将发生的损耗看作一定周期与一定的峰值形成的连续矩形波脉冲，使用说明书中记载的如图6-9所示的瞬态热阻曲线，能够近似计算出温度脉动。 的峰值（Tjp）

也请在确认该Tjp没有超过Tj max的条件下选定散热器。

t1 t1

Tjp TC P R( ) 1 R(t1 t2) R(t2) R(t1)

t2 t2

R(∞)R(t1＋t2)

R(t2)

t1　　　　　t2

P

R(t1)

t

t1

t2t1＋t2

TC

t

图6-9 瞬态热阻曲线 图6-10 温度脉动

3 IGBT模块的安装方法

3.1 安装在散热器上

热阻根据IGBT模块的安装位置而变化，请注意以下几点：

1个IGBT模块安装在散热器上时，如果安装在散热器中心，则热阻变成最小。

在同一个散热器上安装多个IGBT模块时，请在考虑各IGBT模块发生的损耗情况的基础上，决定安装的

位置。对发生大损耗的IGBT模块，请给予大面积。

3.2 散热器表面的处

关于安装IGBT模块的散热器的表面处理，螺钉位置间的平面度控制在100μm以内，表面粗糙度控制在10μm以下。散热器表面如有凹陷，会导致接触热阻（Rth（c-f））的增加。

另外，散热器表面的平面度在上述范围以外时，IGBT模块安装时（夹紧时）会给IGBT模块内部的芯片与位于金属基板间的绝缘基板增加应力，有可能产生绝缘破坏。

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3.3 散热绝缘混合剂的涂敷

为了使接触热阻变小，推荐在散热器与IGBT模块的安装面之间涂敷散热绝缘混合剂。涂敷散热绝缘混合剂时，在散热器或IGBT模块的金属基板面上请如图6-11涂敷。随着IGBT模块与散热器通过螺钉夹紧，散热绝缘混合剂就散开，使IGBT模块与散热器均一接触。 推荐散热绝缘混合剂的一个实例用表6-1表示。

表 6-1 散热绝缘混合剂的实例 型号名称

制造商

Chemical SC102 Dow Corning Toray Silicone YG6260 GE Toshiba Silicones

散热绝缘混合剂约0.5g (1) 2点安装型模块

散热绝缘混合剂约0.5g (2) 4点安装型模块

图 6-11 散热绝缘混合剂的涂敷方法

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3.4 夹紧方法

IGBT模块安装时，螺钉的夹紧方法如图6-12所示。另外，螺钉请以推荐的夹紧力矩范围予以夹紧。 推荐的力矩在说明书中有记载，请另行参考。如果该力矩不足，可能使接触热阻变大，或在动作中产生松动。反之，如果力矩过大，可能引起外壳破坏。

第一次（预紧） 第二次（正式紧固）

力矩

规程的1/3的力矩 规程的力矩

顺序 ①→② ②→①

（1）2点安装型模块

第一次（预紧） 第二次（正式紧固）

力矩

规程的1/3的力矩 规程的力矩 顺序

①→②→③→④ ④→③→②→①

（2）4点安装型模块 图6-12 IGBT模块的安装方法

3.5 IGBT模块的安装方向

将IGBT模块安装在由挤压模制作的散热器上时，如图6-12所示，建议IGBT模块的安装与散热器挤压方向平行。这是为了减小散热器变形的影响。

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3.6 温度的验证

选定散热器、决定了IGBT模块的安装位置后，请测定各部的温度，确认IGBT模块的结温（Tj）未超出额定值或设计值。

另外，图6-13表示了外壳温度（Tc）的正确测定方法的实例。

模块

温度计测定

TC

图6-13 外壳温度测定实例

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警1.

告

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