热设计汇总

逆变器IGBT损耗计算及冷却装置设计_白保东

逆变器中IGBT模块的损耗计算及其散热系统设计_杜毅

逆变焊机中IGBT散热及过热保护技术的研究_任志远

IGBT满负荷工作时,将产生较高的功率损耗密度。散热器设计要求将IGBT功耗转化的热量迅速而可靠地从基板传送到散热器上散掉,确保IGBT的最高工作结温Tj不超过最高允许温度125℃。散热能力越强,器件所能承受的功率就越大,而器件的散热能力取决于它的热传导特性。为了更清楚地说明IGBT散热器的设计,介绍以下几个表达式。

根据逆变焊机长时间大电流工作的情况,选定最恶劣情况时的环境温度TA和IGBT额定功耗P,从上式可求得所设计的散热器到周围空气的热阻QαA,而Qjc和Qcs都是确定的。从散热器手册中根据求得的热阻QαA选定散热器的尺寸和散热面积。为减小热阻,通常在IGBT模块基板与散热器界面之间涂上导热硅脂,外加轴流风机来帮助散热,提高IGBT的耗散功率。

变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计_胡建辉

变频器散热系统的设计包括三个方面，首先根据负载情况求取功率器件的损耗，并预取散热器热阻，然后通过热阻等效电路求取散热器与功率器件各点的温度，最后根据各点的温升，以及实际环境条件，确定最终的散热方案

3.1 散热系统的热阻等效电路

本文采用热阻等效电路的形式分析散热系统热阻，将散热系统的损耗功率等效为电流源，热阻产生的温差等效为电压，热阻等效为电阻，如图1 所示。

目前技术条件下，常规的IGBT散热方式主要有3种：肋片散热、热管散热和液冷散热，其中肋片散热和热管散热主要采用强迫风冷的方法，而液冷散热主要采用液体（水与乙二醇的混合物）循环系统冷却。肋片散热器结构紧凑，体积适中，导热稳定，但需要附带辅助风道，对风机性能要求较高，且风机在运行时容易产生严重的噪声污染；而热管散热器体积较大，结构笨重，安装和拆卸困难，但散热能力较肋片散热器要好。相比之下，液冷散热器的散热能力最强，但需要附带复杂的冷却液循环系统，同时对系统密封性要求甚高，一旦散热器或者管道出现冷却液泄漏将会造成主变流器电气短路等严重后果。一般对于单个IGBT模块

而言，在发热量小于900 W时可选用肋片散热，900～1 200 W时可选用热管散热，大于1 200 W时应选用液冷散热。

以铝肋片散热器为例建立工程传热学模型，取散热器基板厚度b=18 mm，设肋片表面风速v=10 m/s，肋片长度l=0.14 m，IGBT的最高结温为125℃，为了保证IGBT 正常工作，其基

板温度应控制在85℃以下，故设

功率器件热设计及散热器的优化设计_付桂翠

对于一般的功率器件，在生产工艺阶段，就要充分考虑器件内部、封装和管壳的热设计，当功率器件功耗较大时，依靠器件本身的散热（芯片、封装及管壳的热设计）并不能够满足散热要求。功率器件结温可能会超出安全结温，此时需要安装合适的散热器，通过散热器有效散热，保证器件结温在安全结温之内且能长期正常可靠的工作。

各种功率器件的内热阻不同，安装散热器时由于接触面和安装力矩的不同，会导致功率器件与散热器之间的接触热阻不同。选择散热器的主要依据是散热器热阻RTf。在不同的环境条件下，功率器件的散热情况也不同。因此选择合适散热器还要考虑环境因素、散热器与功率器件的匹配情况以及整个电子设备的大小、重量等因素。

功率器件热设计和散热器优化设计方案示于图2。首先根据功率器件正常工作时的性能参数和环境参数，如环境温度、器件功耗和结温等，计算功率器件结温是否工作在安全结温之内，判断是否需要安装散热器进行散热，如功率器件需安装散热器进行散热，计算相应的散热器热阻，初选一散热器；重新计算功率器件结温，判断功率器件结温是否在安全结温之内，所选散热器是否满足要求；对于符合要求的散热器，应根据实际工程需要进行优化设计。

高压变频器的散热器选择与性能研究_董赫伦

2.2 散热器选择及校核

散热器在散热过程中，热量从发热元件传递到散热片，再从散热片传递到空气中。散热片间距、厚度、高度是影响散热效果的关键尺寸。散热片的间距过大会降低总的散热面积，散热

片间距过小，则会增大冷却气体阻力，散热片过厚，占用散热基板过大的面积使得散热片数目减少，同样影响散热片总面积，散热片过薄，则热量难以从散热板传递到散热片，散热片越高，散热片效率越低。散热良好的散热片其散热片间距和厚度以及散热片高度的尺寸必然是良好的匹配的。

2.2.1 计算热阻及散热器的选择

高频大功率开关电源结构的热设计_何文志

本文把开关电源的热设计分为电路级与系统级两个阶段。首先进行电路级热设计，其目的是控制电路的总发热量。通过选用合适的电路拓扑与控制技术，例如移相全桥电路、同步整流技术和软开关技术，并选择低损耗的元器件，尽量减少电路的损耗，以提高整机的运行效率，最后计算各功率器件的损耗，掌握电源的整体热量分布。

完成电路级设计后，进入系统级热设计阶段。系统级热设计的要求是尽量减少系统内部结构设计对系统工作的影响，系统所产生的热量需及时散热，保证系统工作在允许的温度范围内。系统级热设计的基本原则如下：

（1）根据电路损耗确定各部件的位置。

（2）尽量减少引线长度：一方面是降低引线损耗，另一方面是减少电磁干扰。

（3）在有限的空间内，各部件便于安装与拆卸。

（4）在满足散热要求的前提下，尽量选用体积较小的散热器与风扇，以减小电源体积。

目前常用的散热方式有三种：①自然对流散热，这是一种利用空气温度差引起对流换热的基本散热方式，适合小功率密度的电子产品；②强迫风冷散热方式，适用于功率密度较大的系统，或自然对流满足不了散热需要的场合；③液冷散热方式，其散热效果比强迫风冷还要好，但需要外加液体泵，系统复杂，维护困难，成本高，主要适用于功率密度大，且设备空间小的产品。因此，对于功率等级为数百瓦到数百千瓦的开关电源，适合采用强迫风冷进行散热。

在开关电源中，每个功率器件都是热源，其功耗转化为热量，传递到散热器，风机迫使空气快速流过散热器，带走其中的热量，空气升温并离开电源进入环境，从而把器件的发热量带出系统，因而采用强迫风冷的热设计可以归结为散热器和风机设计，电源热设计基本流程可总结为：

（1）电路功耗分布分析。

（2）散热方式及结构设计。

（3）风机及散热器的选择。

（4）热分析软件仿真及优化。

（5）实验验证

从表 1 可见，电源满载运行时的总功耗达3 149W，故自然对流散热方式无法满足散热要求，需采用风机进行强制对流散热，以保证功率器件不会因温度过高而失效，并确保器件所在散热片的底板温度不超过70℃[14]。由于变压器的损耗相对较小且变压器与空气有较大的接触面积，因此将变压器置于足够通风的环境中就可以限制其温升。

为了使热量均匀分布，结合图1 所示的电路原理图和损耗计算结果（见表1），可将输入整流桥和逆变电路安装在同一块散热器上，而将输出整流二极管安装在另一块散热器上。并将电源内部分为两个部分：其中输入整流桥与逆变电路归结为电源逆变部分，输出滤波电路以及变压器归结为整流部分。由于两个散热器是独立的，且单独配置专门的风机，因此两个部分在散热方面的相互影响很小，风机和散热器可以分别设计。下文以逆变部分的热设计为例进行介绍，整流部分的设计与之类似。

逆变部分结构模型如图2 所示，设计要点如下：

（1）将发热量较大的两个IGBT 模块摆放在靠近进风口的位置，以获得更好的散热效果。（2）将隔直电容Cb放置于两个IGBT 模块的中间，既满足了IGBT 模块的间距要求，又使得逆变电路两输出端尽量靠近，减少对系统的电磁干扰。

（3）采用独立风机散热。