第9章电力电子器件的热设计 《高等电力电子技术》课件

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)。
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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：
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
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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
)
T (tp PP
与式（9-9）相比较，可知：
r'
(tP
)
-tP
（19-e14τ）
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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。
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。
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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。
R θj-aR θj-cR R θ θcc--aa( R R θcθ -sc-s R R θsθ -a s-)a 96
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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；
)
（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)
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。
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9.2 耗散功率与结温ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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 。
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
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
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
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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
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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。
Pon Eon fs Poff Eoff fs
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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:
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。
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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。
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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 )
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。
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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
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
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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。
而简化开关损耗的计算过程 。
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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：
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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
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：