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1、Quality is our message 6-1第第 6 章章 散热设计方法散热设计方法 目 录目 录 1.发生损耗的计算方法.6-2 2.散热器（冷却体）的选定方法.6-7 3.IGBT 模块的安装方法.6-10 本章对散热设计进行说明。为了使 IGBT 安全工作，必须确保结温（Tj）不超过 Tj max。当然，不仅在额定负荷的范围内时需要确保，在超负荷等异常情况下，也必须控制在 Tj max 以下。因此，进行热设计时要保证有充分余量。第第 6 章章 散热设计方法散热设计方法 6-21 发生损耗的计算方法发生损耗的计算方法 1.1 关于损耗关于损耗 IGBT 模块由 IGBT 部和 FW
2、D 部构成，它们各自发生的损耗的合计即为 IGBT 模块整体的发生损耗。另外，发生损耗的情况可分为稳态时和交换时。如对上述内容进行整理可表述如下。发生损耗的原因 稳态损耗（Past）仅晶体管部的损耗（PTr）开通损耗（Pon）交换损耗（Psw）IGBT 模块单位元件 的 总 发 生 损 耗（Ptotal）关断损耗（Poff）稳态损耗（PF）仅 FWD 部的损耗（PFWD）交换损耗（反向恢复损耗）（Prr）无论 IGBT 部还是 FWD 部的稳态损耗均可通过输出特性计算。同时，交换损耗能通过交换损耗-集电极电流特性计算。根据计算出的发生损耗进行散热设计，保证结温 Tj 不超过设计值。因此，在此使
3、用的通态电压和交换损耗的值，通常使用结温 Tj 为设计值（推荐 Tj=125）时的数据。这些特性数据均记载在说明书中，请参考。1.2 使用使用 DC 斩波器时发生损耗的计算方法斩波器时发生损耗的计算方法 使用 DC 斩波器时，可以将 IGBT 或 FWD 中流过的电流认为是连续的矩形波，从而简单地进行近似计算。图 6-1 即表示近似的 DC 斩波器的波形，集电极电流为 IC 时的饱和电压、交换损耗分别为 VCE（sat）、Eon、Eoff，FWD 正向电流为 IF时的通态电压、反向恢复损耗分别为 VF、Eon、Eoff，发生损耗可如下计算：IGBT 发生损耗（W）=稳态损耗+开通损耗+关断损耗
4、 offonCsatCEEEfcIVtt)(/21 FWD发生损耗（W）=稳态损耗+反向恢复损耗 rrFFEfcVItt)2/11(第第 6 章章 散热设计方法散热设计方法 6-3 图 6-1 DC 斩波器波形 实际上，直流电源电压和门极电阻值等条件与说明书上记载的内容可能有差异，在这种情况下，可以按照下面的规则进行简略计算。直流电源电压Ed（Vcc）不同时 通态电压：不受Ed（Vcc）影响 交换损耗：与Ed(Vcc)成比例 门极电阻值不同时 通态电压：不受门极电阻值影响 交换损耗：分别与交换时间成比例，取决于门极电阻值 ICID0A0At2t1周波数fC=1/t2IGBTduty=t1/t2
5、FWDduty=1-t1/t2ICID0A0At2t1周波数fC=1/t2IGBTduty=t1/t2FWDduty=1-t1/t2载流子频率fc=1/t2 IGBT导通duty=t 1/t 2 FWD导通duty=1-t 1/t 2 第第 6 章章 散热设计方法散热设计方法 6-41.3 正弦波正弦波 VVVF 变频器应用时发生损耗的计算方法变频器应用时发生损耗的计算方法 -101制御信号変調信号出力電流ICIGBT側電流FWD側電流2MI2MI2223MI2MI2-101制御信号変調信号出力電流ICIGBT側電流FWD側電流2MI2MI2223MI2MI2控制信号与调制信号输出电流ICIG
6、BT侧电流FWD侧电流 图 6-2 PWM 变频器的输出电流 通过VVVF变频器等进行PWM控制时，如图 6-2所示，由于电流值与动作状态始终在变化，因此发生损耗的详细计算需要运用计算机模拟技术等。但是，由于其计算方法过于复杂，在此介绍一下运用近似式进行简略计算的方法。1)前提条件前提条件 在进行计算时，以下列内容为前提条件。应为正弦波电流输出三相PWM控制VVVF变频器 为通过正弦波、三角波比较的PWM控制 输出电流为理想的正弦波 2)稳态损耗（稳态损耗（Psat、PF）的计算方法）的计算方法 IGBT和FWD的输出特性如图 6-3所示，从说明书的数据可以得出近似值。第第 6 章章 散热设计
7、方法散热设计方法 6-5因此，稳态损耗为 IGBT侧的稳态损耗 x satCECsatdVIDTP0)(RIVIDTMOM22221 FWD侧的稳态损耗RIVIDFPMOMF22221 在此，DT、DF：在输出电流半波上的IGBT及FWD的平均导通率 在输出电流半波上的IGBT及FWD的平均导通率为如图 6-4所示的特性。ICIF(A)VCEVF(V)RV0VCE(sat)=V0RICVF=V0RIFICIF(A)VCEVF(V)RV0ICIF(A)VCEVF(V)RV0VCE(sat)=V0RICVF=V0RIFIC或IF（A）VCE或IF（A）图 6-3 输出特性近似 1.00.80.60
8、.40.2-1-0.500.51導通率：DT，DFIGBT側：DTFWD側：DF力率：cos1.00.80.60.40.2-1-0.500.51導通率：DT，DFIGBT側：DTFWD側：DF力率：cos功率因数：cos 导通率：DT，DFIGBT侧：DTFWD侧：DF图 6-4 在正弦波 PWM 变频器中功率因数和导通率的关系 第第 6 章章 散热设计方法散热设计方法 6-63)交换损耗交换损耗 交换损耗-IC特性，如图 6-5所示，一般以下式作近似计算。bCCoffoffIIEE额定/cCCrrrrIIEE额定/aCCononIIEE额定/CCoffoffIIEE额定/CCrrrrIIEE
9、额定/CCononIIEE额定/bCCoffoffIIEE额定/cCCrrrrIIEE额定/aCCononIIEE额定/CCoffoffIIEE额定/CCrrrrIIEE额定/CCononIIEE额定/a、b、c：乘数 Eon、Eoff、Err：额定IC时的Eon、Eoff、Err值。因此，交换损耗如下表示：开通损失（Pon）nKononkEfoP1 （n：半周期间的交换次数=fc2fo）nkCConkIIfoEaa11额定MCondIInfoEaa02sin额定aaMConnIIfoE额定1aCMonIIfcE额定21MonIfcE21nkCConkIIfoEaa11额定MCondIInfo
10、Eaa02sin额定aaMConnIIfoE额定1aCMonIIfcE额定21MonIfcE21 Eon（IM）：IC=IM时的Eon 关断损耗（Poff）MoffoffIfcEP21 Eoff（IM）：IC=IM时的Eoff FWD反向恢复损耗（Prr）MrroffIfcEP21 Err（IM）：IC=IM时的Err EoffEonErr損失(J)IC(A)定格ICEoffEonErr損失(J)IC(A)定格IC交换损耗（J）额定IC图 6-5 交换损耗的近似 第第 6 章章 散热设计方法散热设计方法 6-74)全发生损耗（总发生损耗）全发生损耗（总发生损耗）根据2）和3）项的计算结果，IG
11、BT部发生损耗为：PTr=Psat+Pon+Poff，FWD部发生损耗为：PFWD=PF+Prr 实际上，直流电源电压与门极电阻等与说明书记载的内容可能有差异，与1.2项采用同样的思路，可作简略计算。2 散热器（冷却体）的选定方法散热器（冷却体）的选定方法 电力用二极管、IGBT、晶体管等功率模块中，电极部和安装基板多数情况下被绝缘，由于在一个散热器上可以安装多个元件使用，所以实际安装时既容易，又可以实现紧凑配线。为了让这些元件能够安全地工作，工作时需要使各元件产生的损耗（热）高效散发，因此选择散热器起了关键性作用。以下阐述选定散热器的基本思路。2.1 稳态的热方程式 稳态的热方程式 半导体的
12、热传导可以将它变换为电路予以解释。这里考虑仅将IGBT模块安装到散热器上的情形。此时，就热量而言，可以转换为如图6-6所示的等效电路。W(W)Rth(j-c)Rth(c-f)Rth(f-a)TjTcTfTaW：発生損失Tj：接合温度Tc：温度Tf：表面温度（取付部近傍温度）Ta：周囲温度Rth(j-c)：接合間熱抵抗R th(c-f)：間熱抵抗R th(f-a)：周囲間熱抵抗(jth(c-f)W(W)Rth(j-c)Rth(c-f)Rth(f-a)TjTcTfTaW：発生損失Tj：接合温度Tc：温度Tf：表面温度（取付部近傍温度）Ta：周囲温度Rth(j-c)：接合間熱抵抗R th(c-f)：
13、間熱抵抗R th(f-a)：周囲間熱抵抗(jth(c-f)W：发生损耗Tj：芯片结温Tc：模块外壳温度Tf：散热器表面温度（模块安装部附近的温度）To：周围温度Rth（j-c）：结-外壳间的热阻Rth（c-f）：外壳-散热器间的热阻Rth（f-a）：散热器-周围间的热阻图 6-6 热阻的等效电路 第第 6 章章 散热设计方法散热设计方法 6-8通过上述的等效电路，结温（Tj）可以由下列热方程式求得。TaafRthfcRthcjRthWTj 但是，这里所说的外壳温度Tc和散热器温度Tf是如图6-13所表示位置的温度。如图6-7所示，此外各点的温度都测定时均低于实际值，并且由于它受散热器散热性能的
14、制约，设计时有必要注意。下面，安装IGBT（2元件模块）时的等效电路实例以图6-8表示。此时，热方程式为：TaafRthWDWTWddfcRthdcjRthWddTj)()()()(22 TaafRthWDWTWdTfcRthWDWTTcjRthWTTTj)()()()()(22 TaafRthWDWTWdTfcRthWDWTDcjRthWDDTj)()()()()(22 根据这些公式，请在确认Tj未超出Tj max的条件下选择散热器。ABCA：裏面直下B：裏面A点14mm点C：裏面A点24mm点ABCA：裏面直下B：裏面A点14mm点C：裏面A点24mm点散热器A：模块的背面的芯片正下方B：
15、距模块背面A点14mm的点C：距模块背面A点24mm的点模块 A 点 B 点 C 点 TC(C)51.9 40.2 31.4 Tf(C)45.4 36.9 30.2 图 6-7 外壳温度测定实例 第第 6 章章 散热设计方法散热设计方法 6-9Tj(T)Tj(D)WTWDRth(j-c)TRth(j-c)DRth(c-f)TRth(f-a)TaIGBTFWDTj(T)Tj(D)WTWDRth(j-c)TRth(j-c)DRth(c-f)TIGBTFWD1 module2 modulesTj(d)WdIGBT moduleDiode bridge moduleRth(j-c)dRth(c-f)d
16、Tj(T)Tj(D)WTWDRth(j-c)TRth(j-c)DRth(c-f)TRth(f-a)TaIGBTFWDTj(T)Tj(D)WTWDRth(j-c)TRth(j-c)DRth(c-f)TIGBTFWD1 module2 modulesTj(d)WdIGBT moduleDiode bridge moduleRth(j-c)dRth(c-f)d Wd、Tj（d）、Rth（）d：桥式二极管（1 个模块）WT、Tj（T）、Rth（）T：IGBT（各元件）WD、Tj（D）、Rth（）D：FWD（各元件）图 6-8 热阻的等效电路实例 桥式二极管模块 IGBT 模块为 2 个的情况 1 个的
17、情况 第第 6 章章 散热设计方法散热设计方法 6-102.2 瞬态的热方程式瞬态的热方程式 一般情况下，虽然如前面所述，从平均发生的损耗考虑稳态的Tj已经足够，但实际上每次反复交换产生的损耗是脉冲状态的，因此形成了如图6-10所示的温度脉动。这种情况下，将发生的损耗看作一定周期与一定的峰值形成的连续矩形波脉冲，使用说明书中记载的如图6-9所示的瞬态热阻曲线，能够近似计算出温度脉动的峰值（Tjp）。也请在确认该Tjp没有超过Tj max的条件下选定散热器。)()()(1)(12212121tRtRttRttttRPTTjpC t1t2t1t2R(t1)R(t2)R(t1t2)R()t1t2t1
18、t2R(t1)R(t2)R(t1t2)R()图 6-9 瞬态热阻曲线 Pt1t2TjttTC0TjPPt1t2TjttTC0TjP 图 6-10 温度脉动 3 IGBT 模块的安装方法模块的安装方法 3.1 安装在散热器上安装在散热器上 热阻根据IGBT模块的安装位置而变化，请注意以下几点：1个IGBT模块安装在散热器上时，如果安装在散热器中心，则热阻变成最小。在同一个散热器上安装多个IGBT模块时，请在考虑各IGBT模块发生的损耗情况的基础上，决定安装的位置。对发生大损耗的IGBT模块，请给予大面积。3.2 散热器表面的处散热器表面的处 关于安装IGBT模块的散热器的表面处理，螺钉位置间的平
19、面度控制在100m以内，表面粗糙度控制在10m以下。散热器表面如有凹陷，会导致接触热阻（Rth（c-f）的增加。另外，散热器表面的平面度在上述范围以外时，IGBT模块安装时（夹紧时）会给IGBT模块内部的芯片与位于金属基板间的绝缘基板增加应力，有可能产生绝缘破坏。第第 6 章章 散热设计方法散热设计方法 6-113.3 散热绝缘混合剂的涂敷散热绝缘混合剂的涂敷 为了使接触热阻变小，推荐在散热器与IGBT模块的安装面之间涂敷散热绝缘混合剂。涂敷散热绝缘混合剂时，在散热器或IGBT模块的金属基板面上请如图6-11涂敷。随着IGBT模块与散热器通过螺钉夹紧，散热绝缘混合剂就散开，使IGBT模块与散热
20、器均一接触。推荐散热绝缘混合剂的一个实例用表6-1表示。表 6-1 散热绝缘混合剂的实例 型号名称 制造商 G746 Shin-Etsu Chemical SC102 Dow Corning Toray Silicone YG6260 GE Toshiba Silicones 散热绝缘混合剂约 0.5g(1)2 点安装型模块 散热绝缘混合剂约 0.5g(2)4 点安装型模块 图 6-11 散热绝缘混合剂的涂敷方法 第第 6 章章 散热设计方法散热设计方法 6-123.4 夹紧方法夹紧方法 IGBT 模块安装时，螺钉的夹紧方法如图 6-12 所示。另外，螺钉请以推荐的夹紧力矩范围予以夹紧。推荐的
21、力矩在说明书中有记载，请另行参考。如果该力矩不足，可能使接触热阻变大，或在动作中产生松动。反之，如果力矩过大，可能引起外壳破坏。押出方向位置 力矩 顺序 第一次（预紧）第二次（正式紧固）规程的 1/3 的力矩 规程的力矩 （1）2 点安装型模块 押出方向位置 力矩 顺序 第一次（预紧）第二次（正式紧固）规程的 1/3 的力矩 规程的力矩 （2）4 点安装型模块 图 6-12 IGBT 模块的安装方法 3.5 IGBT 模块的安装方向模块的安装方向 将IGBT模块安装在由挤压模制作的散热器上时，如图6-12所示，建议IGBT模块的安装与散热器挤压方向平行。这是为了减小散热器变形的影响。挤压方向
22、散热器 模块 螺钉位置挤压方向 散热器 模块 螺钉位置第第 6 章章 散热设计方法散热设计方法 6-133.6 温度的验证温度的验证 选定散热器、决定了IGBT模块的安装位置后，请测定各部的温度，确认IGBT模块的结温（Tj）未超出额定值或设计值。另外，图6-13表示了外壳温度（Tc）的正确测定方法的实例。TCTf打洞，通过红外线温度计测定散热器模块螺钉固定TCTf打洞，通过红外线温度计测定散热器模块螺钉固定 图 6-13 外壳温度测定实例 1.本目录包含截止至 2010 年 5 月的产品规格、特性、数据、材质以及结构。因规格改变或其它原因而使本内容变更，恕不另行通知。在使用本目录中所列的产品
23、时，请务必获取最新版本的规格说明。2.本目录中所述的所有应用乃举例说明富士电机电子设备技术株式会社产品的使用，仅供参考。并不授予（或被视为授予）富士电机电子设备技术株式会社所拥有的任何专利、版权、商业机密或其它知识产权的任何授权或许可，无论是明示的或暗示的。对于可能因使用此处所述的应用而造成侵犯或涉嫌侵犯他人知识产权的，富士电机电子设备技术株式会社不予作出任何明示或暗示的声明或保证。3.尽管富士电机系统株式会社不断加强产品质量和可靠性，但仍可能会有一小部分的半导体产品出现故障。当在您的设备中使用富士电机电子半导体产品时，您应采取足够的安全措施以防止当任何产品出现故障时，导致该设备造成人身伤害、
24、火灾或其它问题。我们建议，您的设计应能够自动防故障、阻燃并且无故障。4.本目录中介绍的产品用于以下具有普通可靠性要求的电子和电气设备。计算机 OA 设备 通信设备（终端设备）测量设备 机床 视听设备家用电气设备 个人设备 工业机器人等 5.如果您要将本目录中的产品用于具有比普通要求更高可靠性要求的设备，例如以下所列设备，则必须联系富士电机系统株式会社，得到事先同意方可使用。在将这些产品用于下述设备时，您应采取足够措施（如建立备份系统），使得即使用于该设备的富士电机电子设备技术株式会社产品出现故障，也不会导致该设备发生故障。运输设备（安装在汽车和船上）干线通信设备交通信号控制设备 具有自动关闭功能的漏气检测装置防灾防盗装置 安全装置 6.请勿将本目录中的产品用于具有严格可靠性要求的设备，例如（但不限于以下设备）航天设备 航空设备 核反制设备海底中继器 医疗设备 7.版权(c)1996-2004 富士电机系统株式会社。版权所有。未经富士电机系统株式会社明确许可，本目录的任何部分不能以任何形式或任何方式进行复制。8.如果您对本目录中的内容存有疑问，请在使用该产品前咨询富士电机系统株式会社或其销售代理商。富士电机系统株式会社和其销售代理商对未遵守此处所做说明使用本产品而造成的任何伤害不予负责。警 告