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IGBT模塊的散熱技術(shù)發(fā)展
日期：2025-06-06 06:39
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摘要：IGBT模塊的散熱技術(shù)發(fā)展
IGBT模塊散熱技術(shù)
散熱的過(guò)程
1 IGBT在結上發(fā)生功率損耗;
2 結上的溫度傳導到IGBT模塊殼上;
3 IGBT模塊上的熱傳導散熱器上;
4 散熱器上的熱傳導到空氣中。
散熱環(huán)節 影響散熱程度 影響因數 解決辦法
1總發(fā)熱功率 *主要因數 運行電流電壓 改變電壓電流開(kāi)關(guān)頻率
2 結殼熱阻次要 模塊工藝
3 殼到散熱器熱阻次要 散熱器材料 粘貼材料
4 散熱器到環(huán)境熱阻*要 散熱方式 散熱材料散熱方式 散熱材料
如果IGBT模塊一定時(shí)，IGBT結殼之間的熱阻一定，IGBT殼與散熱器的熱阻與散熱器材料和接觸程度兩個(gè)方面有關(guān)，但此處熱阻較小，散熱器的材料及接觸程度的改變對整個(gè)散熱過(guò)程影響較小。*換言之就是主要影響散熱的是兩個(gè)方面，一是總的損耗，二是散熱器熱阻。但是往往鑒于輸出功率及實(shí)際工況的限制，IGBT的總功率損耗是不可以改變的。所以散熱的問(wèn)題主要就是怎么改變散熱器到空氣或其他介質(zhì)之間熱阻的問(wèn)題。
二、常規解決散熱主要方法
功率器件的耗散功率所產(chǎn)生的溫升需由散熱器來(lái)降低，通過(guò)散熱器增加功率器件的導熱和輻射面積、擴張熱流以及緩沖導熱過(guò)渡過(guò)程，直接傳導或借助于導熱介質(zhì)將熱量傳遞到冷卻介質(zhì)中，如空氣、水或水的混合液等。目前常用到的冷卻方、式為強制空氣冷卻、循環(huán)水冷卻、熱管散熱器冷卻等。
1、空氣自然散熱
空氣自然散熱是指不使用任何外部輔助能量，實(shí)現局部發(fā)熱器件向周?chē)h(huán)境散熱達到溫度控制的目的。通常包含導熱、對流和輻射，適用于對溫度控制要求不高、器件發(fā)熱的熱流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集組裝的器件不宜(或不需要)采用其他冷卻技術(shù)的情況。這種散熱器效率很低，不適合用于大功率器件中。由于它的結構簡(jiǎn)單、無(wú)噪音、免維護，特別是沒(méi)有運動(dòng)部件，所以可靠性高，非常適用于額定電流在以下的器件。
2、強制空氣冷卻
強制對流風(fēng)冷散熱特點(diǎn)是散熱效率高，其傳熱系數是自冷式散熱效率的2-5倍。強制對流風(fēng)冷散熱分兩部分：翼片散熱片和風(fēng)扇。熱源直接接觸的翅片散熱器，其作用是將熱源發(fā)出的熱量引出，風(fēng)扇用來(lái)給散熱器強制對流冷卻降溫。
從而強制空氣冷卻主要與散熱器材料、結構、翼片有關(guān)。
風(fēng)速越大，散熱器熱阻越小，但流動(dòng)阻力越大，因此應適當提高風(fēng)速來(lái)降低熱阻。風(fēng)速超過(guò)一定值之后再提高風(fēng)速對熱阻的影響就非常小了。
散熱器材料質(zhì)量特性對散熱效率有顯著(zhù)影響。紫銅導熱系數相當于工業(yè)純鋁的2倍，在相同散熱效率下，紫銅散熱器的體積為鋁質(zhì)散熱器的1/3一1/2。由于銅的比重大，價(jià)格高，一般較少應用。
風(fēng)冷散熱結構簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，**可靠，技術(shù)成熟，但不能將溫度降至室溫以下。因需配備風(fēng)機，因而噪聲大，容易吸人灰塵，可靠性相對降低，有一定維護量，且風(fēng)扇壽命受時(shí)間限制。
3、液態(tài)冷卻方式
液態(tài)冷卻將導熱系數較之氣體冷卻可顯著(zhù)提高。對于功率密度大的電力電子裝置而言，液體冷卻是很好的選擇。液體冷卻系統利用循環(huán)泵來(lái)保證冷卻液在熱源和冷源之間循環(huán)，以交換熱量。
水冷式散熱器水冷式散熱器的散熱效率極高，等于空氣自然冷卻換熱系數的100-300倍。以水冷式散熱器代替風(fēng)冷式散熱器，可大大提高器件的容量。但是，由于普通水的絕緣性較差，水中存在的雜質(zhì)離子會(huì )在高電壓下導致電腐蝕和漏 電現象，只有在低電壓，才可以采用普通水冷卻。為使上述水冷系統進(jìn)人高壓大功率電力電子領(lǐng)域，必須解決冷卻水的純度和長(cháng)期運行時(shí)系統的可靠性及腐蝕兩大問(wèn)題，且水冷卻方式需要有水循環(huán)與處理設備，設備復雜。
油冷式散熱器由于油的冷卻性能比空氣好，同時(shí)也由于將閥體安裝在油箱中可以免受環(huán)境條件的影響，具有很高的絕緣性和電磁屏蔽效果，所以曾在高壓大功率電力電子裝置中得到相當廣泛的應用。但由于水冷系統不論從冷卻效果還是環(huán)境影響方面均具有明顯的優(yōu)勢，所以近年來(lái)油冷系統似乎已漸漸淡出高壓大功率變流器領(lǐng)域。
4、管散熱器
熱管散熱方案設計及實(shí)現熱管是一種高效能的傳熱元件,它以獨特的傳熱方式，實(shí)現了超常的傳熱效果。典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內抽成1.3*(0.1~0.0001)Pa的負壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿(mǎn)液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據應用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時(shí)毛紉芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體,液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)，熱量由熱管的一端傳至一另端。其優(yōu)點(diǎn)是，具有傳熱能力強，是紫銅的10倍,、均溫能力優(yōu)良、熱密度可變、無(wú)外加設備、工作可靠、結構簡(jiǎn)單，重量輕、不用維護等優(yōu)點(diǎn),熱管傳熱速度且噪音低,使用壽命長(cháng)，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。但隨著(zhù)技術(shù)水平的提高及大規模的工業(yè)化生產(chǎn)，熱管必將成為未來(lái)主流的散熱器產(chǎn)品,是下一代散熱器的優(yōu)選技術(shù)。
熱管散熱器一般適用于大功率、分立元件的場(chǎng)合在一些特殊的生產(chǎn)工況如粉塵比較多的地方煤礦、焦化廠(chǎng)、部分化工廠(chǎng)可以采用熱管散熱器，因為可以做到整個(gè)功率變換部分的密閉性。國內的電力電子變換器行業(yè)多年前已采用熱管散熱器。