《高等电力电子技术》第九章

高等电力电子技术AdvancedPowerElectronics高等电力电子技术第9章电力电子器件的热设计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基本内容9.29.3高等电力电子技术正常情况下，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。9.1稳态热阻与瞬态热阻高等电力电子技术为了理解方便，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类同于电压，单位时间通过散热面的热量类同于电流，两者的比值则被称作热阻。类似于电路的欧姆定律，热学中的欧姆定律可表示为：（9-1）式中为散热速率，单位是W，表示发热体单位时间内产生的热量，当温度稳定以后，此功率即等于器件功耗。热阻的单位为℃/W，它是一个与散热材料、散热方式、散热面积、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。TdPd/TPθRdθTPRdP9.1.1稳态热阻θR高等电力电子技术热阻可用下式表示：（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)。θRθ1RhA9.1.1稳态热阻高等电力电子技术依据式（9-1），假设散热器的耗散功率为、环境温度为，则芯片到外界环境的总热阻可以表示为：（9-4）dPaTjmaxaθj-addTTTRPPθj-aRθj-cRθc-sRθs-aR9.1.1稳态热阻在实际情况中常常把总热阻分为三个部分：第一部分是从管芯到管壳之间的结-壳热阻；第二部分是从管壳到散热器之间接触热阻；第三部分则是从散热器到环境之间的散热器热阻。高等电力电子技术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。θj-aθj-cθc-sθs-aRRRRθc-aθc-sθs-aθj-aθj-cθc-aθc-sθs-a()96RRRRRRRR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）高等电力电子技术当时，式(9-6)可简化为：，在实际情况中，这相当于未装散热器的小功率场合；当时，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)。θc-aθc-sθs-a()RRRθj-aθj-cθc-aRRRθc-aθc-sθs-a()RRR9.1.1稳态热阻高等电力电子技术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：9.1.1稳态热阻高等电力电子技术在组成总热阻的三项中：第一项结壳热阻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。θj-cRcsRθs-aR9.1.1稳态热阻高等电力电子技术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。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。高等电力电子技术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。即可用稳态热阻将瞬态热阻抗表示为：（9-9）式中，是一个与脉冲宽度及占空比有关的比例因子，本质上也就是以稳态热阻为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变化的情况。θRθZθpθ(,)ZrtRp(,)rtptθRpt9.1.2瞬态热阻高等电力电子技术当脉冲持续时间足够长时的器件温升为，则脉冲持续时间为时的器件温升，按电量关系描述可写成：（9-10）式中，是器件的热时间常数（类似于电学的RC时间常数）；表示热容量（J/℃）。对于体积为，热容为，密度为的导热材料，定义其热容。pP0TptPt-τP0()(1e)TtTθθRCθCVCCCV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的矩形波，其温升随时间变化关系见图9-4。高等电力电子技术将式（9-11）、（9-12）代人（9-10）即得：（9-13）与式（9-9）相比较，可知：（9-14）p'θPP()()TtZtP0PθTPRPt-'τθPθ()(1e)ZtRPt-'τP()1ert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：（9-11）而脉冲持续时间足够长时，器件温升可以表示为：（9-12）当较大时，瞬态热阻抗与单脉冲瞬态热阻抗之间有下列关系：θZ'θp()Zt'θθP(1)()ZZt高等电力电子技术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数据。p(,)rt9.1.2瞬态热阻需要注意的是：高等电力电子技术图9-6表示了这种等效过程，此时等效矩形波的持续时间为：式中，是实际波形的幅值，也是等效波形的幅值；代表实际波形所满足的函数；T是实际波形的持续时间。TP0P1()916tPtdtPPP()Pt9.1.2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。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。9.2耗散功率与结温高等电力电子技术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：9.2.1开关器件的功率损耗PPdPSPtPPTPPPtSTpst=T式中,是脉冲幅值；是脉冲宽度；是脉冲周期；是占空比。高等电力电子技术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：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。9.2.1开关器件的功率损耗STd0S1()()PutitdtTST式中，是脉冲周期。高等电力电子技术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。9.2.1开关器件的功率损耗T(AV)PonPIUT(AV)PT(AV)PonUpI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进行描述，而平均通态损耗可用器件通态压降、电流脉冲的幅值及占空比表示成：高等电力电子技术对于功率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。因此平均通态损耗可由下面的公式计算得到：式中，为漏极电流；为功率开关器件的通态电阻，并且是温度的函数，即式中，是在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。9.2.1开关器件的功率损耗2T(AV)DSDS(on)PIRDSI()DSonR()DSonRDS(on)j0j()[1(25)]RTRT0R()DSonRT(AV)T(AV)PIT(AV)P高等电力电子技术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远大于开通时间，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（关断时间或开通时间）内的电流和电压波形按下述方式进行线性近似处理，从而简化开关损耗的计算过程。9.2.1开关器件的功率损耗offtontofftont高等电力电子技术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，故在整个关断期间，可近似认为电流保持不变，器件电压从零线性上升至。由此不难求取其感性负载时的关断损耗，即：式中，。和分别表示断态电压和最大电流；表示开关频率；表示关断时间。9.2.1开关器件的功率损耗IMtoffu/V0USt/sUS0a)b)t1t2t1t2toffIMt/si/Au/Vi/ASUMIs211ftSSMoffss1Moffs0toff()()()2UUIPfutitdtfttIdttftoffP21offt=t+tMISUsfofftofft高等电力电子技术对阻性负载，在时刻，电流从开始线性下降，并在时刻下降到零；器件电压在时刻从零线性上升，并在时刻上升到。由此不难求取其阻性负载时的关断损耗，即：另外，开通损耗的计算与关断损耗相似，只需将公式中换为即可。这样，由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、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和关断损耗，即：9.2.1开关器件的功率损耗1tMI2t1t2tSUoffPs211ftSSMMoffss12offs0toffoff()()()()()6UUIIPfutitdtfttttdttfttonPoffPontfftonEoffEononsPEfoffoffsPEfonoff+PPonPoffP高等电力电子技术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，但是若断态电压很高，仍有可能产生较大的断态功率损耗。理论上，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:式中，是正向或反向