第9章电力电子器件的热设计 《高等电力电子技术》课件

高等电力电子技术
高等电力电子技术
高等电力电子技术
9.1.1稳态热阻
依据式（9-1），假设散热器的耗散功率为 P d 、环境温度
为 T a ，则芯片到外界环境的总热阻可以表示为：
Rθj-a
T Pd
Tjmax Ta Pd
（9-4）
在实际情况中常常把总热阻 R分θ j-a为三个部分 ： 第一部分是从管芯到管壳之间的结-壳热阻 ； R θ j-c 第二部分是从管壳到散热器之间接触热阻 ； R θ c -s 第三部分则是从散热器到环境之间的散热器热阻 。 R θ s-a
对热阻的改变，因而与稳态热阻仍保持有一定的关系。即
可用稳态热阻 R θ 将瞬态热阻抗 表Z θ 示为：
Zθ r(（tp,9-9)R）θ
式中
， 是r (一tp ,个 )与脉冲宽度 及占空t p 比 有关的比 例因子，本质
上也就是以稳态热阻 为1 的归R 一θ 化热阻抗。
当式（9-9）中的占空比 无 限缩小时即向单脉冲条件逼
Pon Eon fs Poff Eoff fs
高等电力电子技术
9.2.1 开关器件的功率损耗
3. 断态损耗
断态损耗是指器件处于关断状态时，由于存在漏电流导致的损耗 。通常可忽略不计，但是若断态电压 U s 很高，仍有可能产生较大的断态 功率损耗 P D 。理论上，P D 也应通过求解漏电流与阻断电压瞬时值乘积的积 分得到。但断态损耗远小于通态损耗，因此一般可有下式初略估计，即:
而简化开关损耗的计算过程 。
高等电力电子技术
9.2.1 开关器件的功率损耗
i/A
u/ V
US
IM
i/A
u/ V
IM
US
0
toff
t/s
0
t1 t2
toff
t/s
t1 t2
a)
b)
感性负载关断过程中的电流和电压波形图
a）世纪感性负载波形图 b）线性化感性负载波形图
对感性负载，电流不可突变，故在整个关断 t o f f 期间，可近似认为电 流I M 保持不变，器件电压从零线性上升至 U S 。由此不难求取其感性负载时 的关断损耗 P o f f ，即：
R θj-aR θj-cR R θ θcc--aa( R R θcθ -sc-s R R θsθ -a s-)a 96
高等电力电子技术
9.1.1稳态热阻
当 R θc-a(R θc-sR θs-a) 时，式(9-6)可简化为：Rθj-a Rθj-cRθc-a ，在实际情况中，这相当于未装散热器的小功率场合；
瞬态热阻抗就是为了计算 开通、关断、浪涌等瞬态时 的结温、功耗或负载能力而
引入的。
国家标准中瞬态热阻抗的定义为 ：在某一时间间隔末，两规定点（或 区域）温差变化与引起这一温差变化 的、在该时间间隔初始按阶跃函数变 化的耗散功率之比。
高等电力电子技术
9.1.2 瞬态热阻
瞬态热阻抗反映了散热体的热惯性在热量传递过程中
当 R θc-a(R θc-sR θs-a) 时，即发热器件安装有散热片、管 壳向外界环境直接辐射散热的作用可以忽略时，式(9-6)可简 化为(9-5)。
高等电力电子技术
9.1.1稳态热阻
➢ 以上分析仅考虑了散热体单 面散热的情况，如器件在实 际应用中采用双面散热，可 用并联电路来模拟分析，将 器件阴极热阻与阳极热阻分 别作为并联的两个分路进行 考虑。若忽略管壳到环境的 热辐射，则双面散热等效热 网络如图9-3所示：
PT(AV) IPUon
功率器件在通过矩形连续电流脉冲时，其通态损耗一般用平均通 态损耗 PT (A V ) 进行描述，而平均通态损耗PT (A V ) 可用器件通态压降U o n 、电流
脉冲的幅值 I p 及占空比 表示成：
高等电力电子技术 9.2.1 开关器件的功率损耗
对于功率MOSFET, 生产厂家在开关器件数据手册中给出的多是器
高等电力电子技术
9.1.1稳态热阻
若忽略从管壳到环境的直接热辐射作用，总热阻可表示为式（9-5）， 相应的等效热网络如图9-1所示。
R θj-aR θj-cR θc-s（R 9θ-s-5a）
若考虑到从管壳到环境的直接热 辐射作用 ，则总热阻 可表示为式（ 9-6），相应的等效热网络如图9-2所 示。
式中， 是器件的热
时间常数（R类θC似θ于电学的RC时间常数）； 表示热容量（J/℃）。
C θ 对于体积为 ，热容为 ，密度为V 的导热材C料，定义其热容
。
C CV
高等电力电子技术
9.1.2 瞬态热阻
按照瞬态热阻抗的定义，器件的温升、功率损耗、瞬态热阻抗
三者关系可写成：
Zθ'
(tP
)ห้องสมุดไป่ตู้
T (tp PP
高等电力电子技术
9.1.2 瞬态热阻
以上讨论的稳态热阻实际上反映了器件散热的稳态特性。
在脉冲宽度较短，占空比较低的情况下，峰值结温有可能 远高于平均结温，成为器件工作特性的主要限制因素。这时， 结温的高低不仅与器件的功率损耗有关，还在很大程度上取决 于电流脉冲的形状、脉冲的宽度和重复频率，因而热阻的概念 不再适用。
)
（9-11）
当 较大时，瞬态热阻
而脉冲持续时间足够长时，器件温升可以表示为： 抗 Z 与θ 单脉冲瞬态热阻抗
T0 PPRθ
（9-12）
之间Z有θ ' (下t p 列) 关系：
将式（9-11）、（9-12）代人（9-10）即得：
Zθ'
(tP)
-tP
Rθ(1e τ
)
（9-13）
Zθ (1)Zθ'(tP)
件的通态电阻而不是通态压降。因此平均通态损耗 PT (A V )可由下面的公式计
算得到：
PT(AV) ID 2SRDS(on)
式中，I D S 为漏极电流；R D S (on ) 为功率开关器件的通态电阻，并且R D S (on ) 是温度 的函数，即
R D S (o n )(T j) R 0 [1 (T j 2 5 )]
高等电力电子技术
9.1.2 瞬态热阻
2） 瞬态热阻抗是以矩形的电流波形来定义的，而实际电流往往并不是 矩形波，如果要应用瞬态热阻抗进行计算，就必须将实际电流波形等 效为矩形波才能计算。
图9-6表示了这种等效过程，此时等效矩
形波的持续时间为：
tP
1 PP
TP(t)dt916
0
式中，P P 是实际波形的幅值，也是等
P o ff fs0 1 fsu (t)i(t)d t fstt 1 2U to f S f(t t1 )IM d t U S 2 IM to fffs
式中，t2=t1+toff 。U S 和I M 分别表示断态电压和最大电流；f s 表示开关频率；t o f f 表示关断时间。
高等电力电子技术
9.2.1 开关器件的功率损耗
对阻性负载，在t 1 时刻，电流从 I M 开始线性下降，并在 t 2 时刻下 降到零；器件电压在 t 1 时刻从零线性上升，并在 t 2 时刻上升到 U S 。由此 不难求取其阻性负载时的关断损耗 P o ff ，即：
P o f f fs0 1 f su ( t) i( t) d t fstt 1 2 U to f S f( t t1 ) ( t I o M f f) ( t t2 ) d t U S 6 I M to f ffs
高等电力电子技术
9.2.1 开关器件的功率损耗
器件的功率损耗是指器件在单位时间内消耗的能 量，而耗散功率是散热器在单位时间内散失的能量 。在设备正常稳定工作时，器件的功率损耗和散热 器的耗散功率将达到平衡，器件的温度保持恒定， 即系统达到了热平衡状态。对于连续的功率脉冲， 是指平均耗散功率与平均功率损耗相等。
与式（9-9）相比较，可知：
r'
(tP
)
-tP
（19-e14τ）
高等电力电子技术
9.1.2 瞬态热阻
需要注意的是：
1） 对于 不能忽略或者说不是单脉冲条件下的瞬态脉冲，
瞬态热阻抗则更加复杂，很难用具体的解析式来表达， 器件生产厂家通常会以图9-5的形式给出几组典型的归一 化瞬态热阻抗 r (tp , ) 数据。
另外，开通损耗 P o n 的计算与关断损耗 P o f f 相似，只需将公式中 t o n 换为t f f 即 可。这样，由Pon +Poff 即求出器件的开关损耗。
有些器件会在产品手册中给出单次开通及关断的损耗 E o n 、E o f f 和相关 参数的关系曲线。从曲线图中查出特定电流对应的单次开关损耗后，即 可利用以下两式计算出对应的开通损耗 P o n 和关断损耗P o ff ，即：
近，而单脉冲条件下的曲线则反映了器件每消耗1W功率所
引起的结温升随脉冲持续时间 变t p化的情况。
高等电力电子技术
9.1.2 瞬态热阻
为了便于分析，假设引起器件温
升的脉冲功率是峰值为P 的p 矩形波，
其温升随时间变化关系见图9-4。
当脉冲持续时间足够长时的器件温升
为 T，0 则脉冲持续时间为 时t p 的器件温升，按电量关系描述可写成： -tP T(tP)（9T-01(10）e τ )
对矩形功率脉冲，其平均功率损耗为：
Pd
PP tP TS
PP
式中,
PP
是脉冲幅值；t P
是脉冲宽度；T S 是脉冲周期； =
tp Ts
是占空比。
高等电力电子技术
9.2.1 开关器件的功率损耗
对于任意波形的连续脉冲，可利用具有记录功能 的数字示波器记录负载在特定温度下的一个完整开 关周期中的瞬时电压u(t)和电流i(t)，然后利用图解
高等电力电子技术
Advanced Power Electronics
高等电力电子技术 第9章电力电子器件的热设计
基本内容
9.1
稳态热阻与瞬态热阻
9.2
耗散功率与结温
9.3
耗散器常用的冷却方式及特点
高等电力电子技术
9.1 稳态热阻与瞬态热阻
正常情况下，电力电子器件的主要热源是半导体芯片内部。电能消耗 产生的热量首先通过热传导转移到管壳和散热器上，然后经热传导、 对流和热辐射等三种基本传导方式散发给空气、液体和固体等吸热介 质。 在这三种基本传导散热方式中，热辐射散失的热量很少，通常只占总 散失热量的极少部分。在利用空气散热的自然冷却和风冷却方式中， 对流是热量通过管壳或散热器向空气散发的主要方式。当用水或其它 液体介质散热时，散热器壁与散热介质之间的热传导则成为主要的散 热方式。
高等电力电子技术
9.1.1稳态热阻
在组成总热阻的三项中： 第一项结壳热阻R θ j-c 是一个与器件所用材料几何形状 及接触情况相关的参数，而且与器件制造工艺有关。结壳热 阻还与器件应用条件有关，即与电流波形、导通角、工作频 率等相关。 第二项接触热阻 R θ s-a 与接触面积、散热器材料、表面 粗糙度、接触压力等因素相关。接触面积越小、金属材料越 硬、表面粗糙度和不平度越差、接触压力越小, 接触热阻就 越大。 第三项散热器热阻 R c s与散热器材质、结构尺寸、表面 状况、功耗元件的安装位置以及冷却介质的性质及状态等多 种因素有关。
效波形的幅值；P ( t代) 表实际波形所
满足的函数；T是实际波形的持续时间。
变换后，得到的温升往往高于实 际温升，这是由加热时间集中所 导致。
高等电力电子技术
9.2 耗散功率与结温
耗散功率与结温是影响功率器件安全运行的 两个重要参数，设计者应对其在各种运行条件下的 变化规律有充分的了解 。散热设计的主要任务就是 根据器件的功率损耗与热平衡条件计算出所需散热 器的热阻，继而根据散热器的材料、形状、表面状 况、冷却介质等设计和选择合适的散热器，以保证 器件安全、可靠地工作 。
积分法求出一个周Pd期T中1S 的0TS u平(t)i均(t)d功t 率损耗Pd，即：
式中，T S 是脉冲周期。
实际器件中，通常包括通态损耗、开关损耗、断态 漏电损耗以及门极损耗。
高等电力电子技术
9.2.1 开关器件的功率损耗
1. 通态损耗
通态损耗功率是器件在导通状态时的稳态损耗 。当器件工作在低频条件（一般指其开关频率在数 百赫兹以内）时，通态损耗是器件损耗中的主要组 成部分。
2. 开关损耗
开关损耗包括开通损耗和关断损耗。一般而言，多数器件的关断时 间t o f f 远大于开通时间 t o n ，即关断损耗在开关损耗中占主导地位，一次可 将开通损耗忽略不计 。
由于开通、关断时的电压、电流波形较复杂，难以精确地对电压、 电流瞬时值乘积的积分进行求解，因此常把开关时间间隔（关断时间t o f f 或开通时间 t o n ）内的电流和电压波形按下述方式进行线性近似处理，从
式中，R 0 是R DS (on ) 在25℃时的额定值； 是其温度系数。
另外，获得器件通态平均功耗更简捷的方法是查看厂家提供的产品 手册上的 PT(AV) IT(AV) 特性曲线。通过曲线，可以直接查到对应平均电流的 通态平均功耗，给器件热设计带来极大方便。
高等电力电子技术
9.2.1 开关器件的功率损耗