【技术大神】教你如何通过计算功率模块的损耗来进行散热设计

时间： 2019-08-30 来源：世强

技术问答

如何让模块在一个“凉爽”的环境中工作是许多设计者都必须面对的问题。为了让IGBT、晶体管等功率模块能够安全地工作，工作时需要使各元件产生的损耗（热）能高效散出，因此选择散热器起了关键性的作用。

首先需要分析发生的损耗元件，主要分整流和逆变两部分，逆变的IGBT又由IGBT部和FWD部构成，因此实际是上述三部分发生的损耗的合计即为模块整体损耗。无论IGBT部还是FWD部的稳态损耗均可通过输出特性计算，交换损耗通过交换损耗-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，使其控制在这个模块既定的可容许最大的结温（T_j）以下。

针对一些初学者来说，通过公式计算来获得损耗非常困难，VINCOTECH提供一款专门仿真损耗的软件Vincotech ISE，通过它便可以轻松得到所需要的损耗。根据笔者400V级额定输出3A的驱动器产品设计所选用的模块为V23990-P630-A40-PM为例仿真其损耗。如下图1-3所示的各部分损耗。

图1：整流二极管损耗（单）

图2：逆变IGBT损耗（单）

图3：续流二极管损耗（单）

图4：基板圆弧设计图

从上图可以得出总损耗为：

该模块在Vincotech家族中属于Flow90系列的产品。在散热工艺方面具有明显的优势，主要体现在基板的圆弧设计，有利于热传导，可以将导热硅脂更好的从中心挤压的四周，防止硅脂厚度大和容易在中心产生气泡的问题，如图4所示。图5所示也是Vincotech在封装上的不同之处，它在模块外壳中心加了一个下压柱，也能更好地保证模块中心和散热器的接触。当Vincotech模块安装以后，内部只留有最多25um的空隙。对于生产来说，只需要涂50um硅脂即可，而其它的产品可能至少需要80um厚。同时内部的DCB层也在保证可靠性安装的前提下，将厚度增加到640um（普通的只有380um），有效保证了整个产品的机械强度。

图5：带中间下压柱的外壳

它的封装是35*84*21mm，其T_jmax=150℃。为了更好的满足其结温要求，使其对应在40℃的工作环境下，必须使得温升小于40℃。根据上述条件构建如下图6所示的散热器模型（散热器尺寸70*48.5*25mm），并通过风冷的方式进行散热处理，利用有限元分析软件得到如图所示的热仿真效果（环境温度20℃， Tc=56℃）。

图6：散热器模型、仿真效果图及实机运转温度对比

通过对比试验，从而得到如下结论：
1）散热器尺寸不变的情况下，模块位置变化对温升基本无影响；

2）散热器长度增加，温升会随散热器长度增加呈现先降低后增加的趋势；

3）散热器长度方向增加，会起到增强散热的作用，但当增加到一定长度时，不仅不能起到增强

散热的作用，反而会削弱散热能力；

4）若想进一步降低温升，需从散热器宽度方向、翅片厚度及间隙入手。

通过热电偶对散热器对应点进行测量发现，其仿真的模型比实际测量温度高3℃左右，证明其模型具有可参考性，即可以采用此方法来设计散热片，从而保证在实机运转情况下不超出元件的容许温度而损坏元件。

作者：Jerry

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plhust Lv7. 资深专家 2020-07-29

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tongran322 Lv7. 资深专家 2019-01-11

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功率模块的散热的设计

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选型指南 - LITTELFUSE - 2021/06/01 PDF 英文下载

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