《高等电力电子技术》第九章

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
IM
US
i/A u/ V
IM
US
0 t1
toff
t/s
t2
0
toff t1 t2
t/s
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 toff 期间，可近似认为电 流I 保持不变，器件电压从零线性上升至 U 。由此不难求取其感性负载时 的关断损耗 Poff ，即：
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toff 远大于开通时间 t on ，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toff 或开通时间 t on ）内的电流和电压波形按下述方式进行线性近似处理，从
M S
Poff f s
S
1 fs
0
u (t )i (t )dt f s
t2
t1
US U I (t t1 )I M dt S M toff f s toff 2
toff 式中，t2=t1+toff 。U 和 I M 分别表示断态电压和最大电流；f s 表示开关频率； 表示关断时间。
在组成总热阻的三项中： 第一项结壳热阻Rθj-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 Rθs-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、功耗元件的安装位臵以及冷却介质的性质及状态等多 种因素有关。
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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。 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。
Pd PP tP PP TS
s
t = p 是占空比。 T 式中, PP 是脉冲幅值； P 是脉冲宽度； S 是脉冲周期； T t
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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 积分法求出一个周期中的平均功率损耗Pd，即：
高
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电
力
电
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9.1.1稳态热阻
为了理解方便，人们常常用电学模拟的方法来描述热量的传输 ，将两点或区域间的温差T 类同于电压，单位时间通过散热面的热 量Pd 类同于电流，两者的比值 T / Pd 则被称作热阻 Rθ 。类似于电
路的欧姆定律，热学中的欧姆定律可表示为：
T Pd Rθ
式中
高
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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。 对矩形功率脉冲，其平均功率损耗为：
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
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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 。
Rθj-a Rθj-c Rθc-a ( Rθc-s Rθs-a ) 9 6 Rθc-a Rθc-s Rθs-a
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9.1.1稳态热阻
当 Rθc-a ( Rθc-s Rθs-a ) 时，式(9-6)可简化为：Rθj-a Rθj-c Rθc-a ，在实际情况中，这相当于未装散热器的小功率场合； 当 Rθc-a ( Rθc-s Rθs-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)。
1 Pd TS 式中， T 是脉冲周期。
S

TS
0
u (t )i (t ) dt
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。
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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 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 Rθ 将瞬态热阻抗 Zθ表示为： （9-9） Zθ r (tp , ) Rθ 式中，r (tp , )是一个与脉冲宽度 t p 及占空比 有关的比例因 子，本质上也就是以稳态热阻 Rθ 为1 的归一化热阻抗。 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 t p 变化的情况。
高等电力电子技术
Advanced Power Electronics
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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
耗散功率与结温 耗散器常用的冷却方式及特点
9.2
9.3
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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。
T0 PP Rθ
tP τ
（9-12）
)
' 抗 Z θ (tp ) 之间有下列关
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将式（9-11）、（9-12）代人（9-10）即得：
系：
Z θ ' (tP ) Rθ (1 e
（9-13）
Zθ (1 )Zθ ' (tP )
与式（9-9）相比较，可知：
r ' (tP ) 1 e
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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。 （9-5） Rθj-a Rθj-c Rθc-s Rθs-a
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。
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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 Pp的矩形波， 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 T0 ，则脉冲持续时间为 t p 时的器件温升，按电量关系描述可写成：
T (tP ) T0 (1 e )
-
tP τ
Rθ 1 hA
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9.1.1稳态热阻
依据式（9-1），假设散热器的耗散功率为 Pd 、环境温度 为 Ta ，则芯片到外界环境的总热阻可以表示为： T Tjmax Ta （9-4） Rθj-a
Pd Pd
在实际情况中常常把总热阻 Rθj-a 分为三个部分 ： 第一部分是从管芯到管壳之间的结-壳热阻 Rθj-c ； 第二部分是从管壳到散热器之间接触热阻 Rθc-s ； 第三部分则是从散热器到环境之间的散热器热阻 Rθs-a 。
-
tP τ
（9-14）
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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。
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P T(AV) I PU on
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(AV) 进行描述，而平均通态损耗PT(AV) 可用器件通态压降 on 、电流 U 脉冲的幅值 I 及占空比 表示成：
p
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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 件的通态电阻而不是通态压降。因此平均通态损耗 PT(AV)可由下面的公式计 算得到： 2 PT(AV) I DS RDS(on) 式中，I DS 为漏极电流；RDS ( on ) 为功率开关器件的通态电阻，并且RDS ( on ) 是温度 的函数，即 RDS(on) (Tj ) R0 [1 (Tj 25)]
R 式中， 0 是RDS ( 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) I T(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。
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9.2.1 开关器件的功率损耗
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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：
高
等
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9.1.1稳态热阻
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

T
0
P (t )dt 9 16
式中， PP 是实际波形的幅值，也是等 P 效波形的幅值； (t )代表实际波形所 满足的函数；T是实际波形的持续时间。
（9-10）
式中， Rθ Cθ 是器件的热时间常数（类似于电学的RC时间常数）；
Cθ 表示热容量（J/℃）。对于体积为 V ，热容为 C
的导热材料，定义其热容 C ，密度为

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： T (tp ) ' Z θ (tP ) 当 较大时，瞬态热阻 （9-11） PP 而脉冲持续时间足够长时，器件温升可以表示为： 抗 Zθ 与单脉冲瞬态热阻
（9-1）
Pd 为散热速率，单位是W，表示发热体单位时间内产生的热量
热阻 Rθ 的单位为℃/W，它是一个与散热材料、散热方式、散
，当温度稳定以后，此功率即等于器件功耗。
热面积、安装方式等相关的物理参数，是反映散热体散热性能的一
个综合参数。
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9.1.1稳态热阻
热阻 Rθ 可用下式表示： （9-2） 式中A为散热体的散热面积，单位是m2；h是散热系数，表 示在稳定传热条件下，1m厚的材料，温差为1°C，在1小时内 ，通过1平方米面积传递的热量，单位为W/(℃.m2)。