摘要 : 文中介绍了以为代表的功率开关器件功率损耗的组成及其计算方法 , 给出了功率器件散热器的热阻计算方法和步骤 , 简要说明了在采用风冷散热时应遵循的一般准则。

关键词 :功率开关 ; 热阻 ; 散热器

0 引 言

    随着电力电子功率器件向高功率密度方向的发展 , 元件单位体积内的热量也相应增加。在大功率高频通信电源等设备中功率开关器件的电能损耗尤其突出 , 这部分消耗功率会转变为热量使功率器件管芯发热、结温升高 , 如果不能及时、有效地将此热量释放 , 就会影响到器件的工作性能 , 从而降低系统工作的可靠性 , 甚至损坏器件。因此热设计已成为电力电子产品设计的关键一环。热设计的效果也直接关系到电力电子设备能否长期正常、稳定地工作。

    在尽量通过优化设计等方式来减少功率开关发热量的同时 , 一般还需要通过散热器利用传导、对流、辐射的传热原理 , 将器件产生的热量快速释放到周围环境中去 , 以减少内部热累积 , 使元件工作温度降低。本文主要针对功率开关器件的散热进行了讨论。
进行功率器件及功率模块散热计算的目的 , 就是在确定的散热条件下选择合适的散热器 , 以保证器件或模块安全、可靠地工作。散热器的设计必须顾及使用环境条件 , 以及元件允许的工作温度等多种参数。但是对散热器的传热分析目前国内外都还研究得很不够 , 工程应用中的设计大多是凭经验选取 , 并作相应的核校计算。

1 功率器件的功率损耗和散热器的耗散功率 [1,2,4]

    电力电子设备中的功率器件在工作时其自身也会消耗一定的电能 , 把单位时间内功率器件所消耗的电能称作为器件的功率损耗。器件的功率消耗将导致其结温升高从而产生了散热冷却的要求 ; 而散热器在单位时间内所散发出的热能量叫耗散功率。

    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 , 器件的温度也不会继续升高 , 即系统达到了热平衡状态。
    在系统的热设计中正是根据能达到热平衡状态时的功率参数来确定散热器应当具备的相关参数 , 因此在设计过程中一般先根据相关数据手册和实际电路工作参数来计算出功率器件的功率损耗 , 然后以此作为依据计算散热器相关参数。
    而功率器件的功率损耗一般包括器件的通态损耗、开关损耗、断态漏电流损耗及驱动损耗几个部分。

1.1 功率器件的通态损耗

    功率器件在周期性的开通、关断过程中处于开通状态时的功率损耗。当开关器件输出占空比为 D 的电流脉冲时 , 其平均通态损耗可以表示为 :

P_c =I_DSU_ONδ ^[3]                   (1)

式中 ,I_DS为脉冲电流幅值 ;U_ON 为开关器件通态压降 ;δ 为输出波形占空比。

    在实际应用中 , 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。因此通态 P 损耗往往由公式 (1) 变形为下面的公式计算得到。

P_c =I_DS²R_DSδ                (2)

式中 ,I_DS 为脉冲电流幅值 ;δ为输出电流波形占空比 ;R_DS 为功率开关器件的通态电阻。

1.2 功率器件的开关损耗

    功率器件开关损耗包括了开通损耗和关断损耗。开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。因此产生较大的损耗 , 而且开关损耗的大小在很多情况下占有了器件总的功率损耗的相当大比重 , 甚至是主要部分 , 尤其是当器件处于高频工作情形下。

    功率器件的开关损耗与负载的特性有关 , 一般简化为感性负载和阻性负载两种情况来计算开关损耗。下面为硬开关条件下两种情形的开关损耗的计算公式 , 分别见式 (3) 和式 (4):

式中 ,U_s 为断态电压值 ;I_M通态电流值 ;f 为开关频率值 ;t_ON为开通时间值 ;t_off为关断时间值。

1.3 功率器件的断态漏电流损耗

    一般情况下 , 器件处于关断状态时的集电极 ( 漏极 ) 漏电流十分微小 , 可认为器件无损耗 , 但在断态电压 U 很高的情况下 , 则微小的漏电流 I 仍可能产生较为显著的断态功率损耗 P_co:

P_co=I_coU_s(1-δ)             (5)

式中 ,I_co 为功率器件断态漏电流 ;U_s 为断态电压 ;δ 为功率器件输出电流波形占空比。

1.4 功率器件的驱动损耗

    功率器件在开关过程中消耗在驱动控制板上的功率以及在导通状态时维持一定的栅极电压、电流所消耗的功率称为开关器件的驱动损耗。一般情况下 , 这部分的功率损耗与器件的其他部分损耗相比可以忽略不计 , 但对于、等通态电流比较大的功率器件则需要特殊考虑。

2 散热器的热阻设计

    散热器热阻是进行散热器选择的{wy}依据。在器件处于稳定工作时的发热率和其散热器散热率相等 , 系统处于热平衡稳定状态。此时可以利用与电路理论类似的热路模型来进行系统热量计算。此模型中认为从器件到散热器、散热器到周围空气等热路中都存在 "热阻 ", 热阻越小则表明传热能力越强。

    实际应用中 , 在进行电力电子器件的热设计时 , 一般只需考虑其通态损耗和开关损耗即可。但对散热器的设计则需要按照器件可能的{zd0}功率损耗来进行 , 以便留有足够的系统裕量 , 保证器件、设备的整体稳定性和安全性。当计算出器件的功率损耗后便可根据热平衡条件计算出所需要具备的散热器热阻 , 继而就可以根据散热器的材料、形状、表面状况、安装位置、冷却介质等合理设计和选择功率器件的散热器。
功率器件在恒定的平均功耗下运行时 , 系统达到热平衡稳定状态后 , 可以用稳态热阻概念进行热路计算。但在开机、负载突变、短路等情况下时则需要利用瞬态热路模型来进行计算。但器件在高频下工作时 , 由于温度属于大热惯性变量 , 所以一般也可以直接采用稳态热路进行计算即可。

计算散热器的热阻可参考如下公式 :

    式中 ,R_R 为需要具备的散热器热阻 ;T_CM 为功率器件所允许的{zg}管壳温度 ;T_a 为环境介质温度 , 应当选定最恶劣情况时的环境温度 , 比如炎热的夏季环温 ;P_d 为功率器件的功率损耗值。

    实际上 , 功率器件向外部散发热量的 " 热路 " 为器件内部管芯传到器件管壳 , 通过管壳同时到散热器和环境介质 , 还有从散热器以对流与辐射两种传热方式将热量传递到环境介质中这样一个过程。由于从管壳到环境介质的热阻往往比管壳到散热器的接触热阻大得多 , 所以从管壳到环境介质的热阻可以忽略不计。记 T_a 为环境介质温度 ,R_jc 为器件结壳热阻 ( 内热阻 ),R_jc 为器件与散热器间的接触热阻 ( 界面热阻 ),R_sa 为散热器热阻 , 则在工程计算中可以将功率器件的散热总体热阻 R 表示为 :

R=R_jc+R_cs+R_sa                 (7)

设器件允许的{zg}运行结温为 T_j, 则根据热平衡条件可得到下面公式 :

T_j=P_dR+T_a=P_d(R_jc+R_cs+R_sa )+T_a          (8)

    于是 , 在确定 R_jc( 应通过加导热硅脂尽量减小其值 ) 和功率器件的功率损耗值 P_d 后 , 根据式 (8) 便可计算出散热器热阻 R_sa, 进而通过查相应的散热器数据手册就可以确定所需散热器的类型和参数。

    虽然型材散热器已有了相应的国家标准 (742312287), 但其中的自然对流和强迫风冷条件下的热阻关系曲线均为实验数据整理所得 , 而在实际应用中影响散热器热阻的因素比较多 , 实验数据与实际应用有一定误差。如何综合考虑这些因素 , 使得在一定工作条件下散热器的热阻最小 , 也是工程设计中迫切需要解决的问题。因此 , 对散热器进行优化设计也就非常必要。散热器的优化问题属于有约束多变量优化问题 , 其目标函数是散热器与环境之间的热阻 , 设计变量是设计者可选择的参数 ( 肋高、肋长、肋厚、肋片数目、肋片形状、肋片材料等 ) 。

3 强迫风冷散热设计

    在较大功率的电力电子设备中 , 为了提高散热效果 , 保证系统稳定工作 , 提高功率器件使用寿命 , 往往对电力电子功率器件采用了强迫风冷技术。强迫风冷的散热效果远好于自然风冷 , 复杂性大大低于水冷和风冷 , 是通信设备电源适用的散热方式。采用强迫风冷还可以显著减小散热器体积 , 有利于设备小型化、轻量化的实现。在采用强迫风冷时 , 散热器的热阻将会显著减小。

    强制风冷散热主要是对流换热。热学原理中对流换热过程满足牛顿冷却公式 :

Q=αAΔT^[6]     (9)

    式中 ,Q 为单位时间内散热器传到环境的热量 ;α为对流换热系数 ;A 为散热器与空气接触面的面积 ;ΔT 为散热器表面温度与外界空气温度的温差。

通过比较公式 (6) 可知 , 散热器的散热效果可用热阻表示为 :

式 (10) 说明对流换热系数α散热器换热面积 A 越大 , 热阻越小 , 进而散热效果越好。降低热阻 , 提高对流换热的途径主要有 : 加大散热器尺寸或者增加散热片数量以加大散热面积 A; 采用更大尺寸或拥有更强风力的风机增大空气流速以增大 α; 引入紊流以增强局部对流来增大α等。通常情况下 , 选用散热面积较大的型材散热器和风量较大的风机可以降低散热器到环境介质的热阻 , 但散热面积的增加和风机风量的提高均受装置体积、重量以及噪音指标等限制。随着电力电子器件的小型化和轻量化的发展趋势 , 在散热器和风机参数一定的条件下 , 通过合理的风道设计 , 在散热器表面流场引入紊流是改善散热的又一有效途径。

    合理的风道设计一般要求引导风扇气流冲击散热器表面 , 适当的改变气流在散热器表面的流动方向以在散热器附近流场中形成大的扰动 , 从而形成广泛的紊流区 , 加强散热效果 , 如在散热器前端加入扰流片 [6] 等办法 ; 同时不应使气流压头损失过大 , 流速下降过多 , 以免降低散热效果。事实上这两方面往往存在矛盾 , 所以应综合权衡 , 尽量{zy}。

4 结 语

本文介绍了电力电子功率器件功率损耗的组成及其计算方法 , 给出了功率器件散热器的热阻设计方法和步骤 , 简要说明了在采用风冷散热时应遵循的一般准则 , 对电力电子功率器件应用设计具有一定的指导意义。