【技术】一文详解叠层母线排的热管理

时间： 2022-01-14 来源：ROGERS

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热管理是所有电气系统的一个重要设计要素，这是因为热管理直接关系到系统的长期可靠性和寿命。若电气系统过热，则主要部件将开始失效，造成系统瞬间发生故障。例如由局部过热、冷却不足或过载造成的IGBT芯片过热可能造成半导体直接损坏。

从长远来看，材料分解与温度过高有关，会在某时失效。材料易于变脆，这是因为高温会加速材料的交联，因而失去典型塑料材料的全部柔韧性。高性能母线排使用额定温度为105℃的PET（聚酯）绝缘材料，对于典型牵引应用，它的使用寿命较长（在80℃的温度下，可使用25年）。对于超长寿命或高温应用，则采用 Thermal 130℃绝缘材料（在100℃的温度下，可使用40年）。

尽管在逆变器的整个寿命期间，母线排的性能通常优于逆变器的所有其它部件，但是在长寿命期间，绝缘材料变脆/开裂是最常见的故障，具体取决于工作条件，这种故障可能造成电击穿和系统失效。为了评估母线排的使用寿命，重要的是要了解使用要求在工作期间每种温度所占时间的比例。仅了解最高温度不能准确确定母线排的寿命。最高热点温度是环境温度和部件受热的共同结果。

本文，ROGERS将描述说明部件受热或“热管理”情况。

一、热阻Rt的温度影响

为了系统的长期可靠性，必须优化所产生的热Ploss（电损耗）对系统热点温度的影响。热点温度可能被称为ΔT（或?T）。正确的热管理设计旨在尽量降低ΔT的数值，从而使系统寿命最大化。装置外表面积A的每单位面积所产生的热量或损耗Ploss与由此造成的温升（ΔT）之间的关系用总热变电阻Rt表示。

Ploss/A = Q热通量

Rt也是从“系统内”发热到“外部世界”的所有绝热层之和。

热通量Q类似于系统中的电流I；在电阻Re上，电流I会产生的一个电压降V = V1-V2。

热当量：热通量Q会在热变电阻Rt上产生一个温度差T = T1-T2。

对于给定的热通量Q，热变电阻越高，ΔT越高，因此热点温度越高。

从材料到环境的热变电阻通常有三种典型传热方式：

1、在材料内部：传导（Rcond）

2、从表面到环境：对流（Rconv）和辐射（Rrad）

二、热传导

系统内的热变电阻Rth（传导）与到装置表面的平均距离d成比例，是热导率K（W/mK）和表面积A的反函数。

Rcond= d/K.A

对于母线排，在整个导体主体上产生热量，然后热量传导到表面上。距离d是整个母线排上到每个发热点（= 载流导体的每一段）的综合距离。

表面积A或热导率K越高，导热阻力Rcond越低。

金属有一个很高的导热系数K：铜：370W/m·K；铝：230W/m·K。

这意味着，母线排内部的温升不但很低，而且还在母线排上恰当分布，降低了热点的影响。在该计算模型中，在最大母线排使用厚度（单位：mm）条件下，在四种不同材料上计算了母线排外表面典型热通量3W/ dm²（ΔT 30℃；h 10W/m²K）的温降。

导体的温降非常低（<0.01℃）；绝缘材料的最大温降是0.66W，DM1的最大温降是2.25W。例如，Primapack IGBT内的一个小母线排+端子中的电流分布具有超高的局部电流密度（40A/mm²- 典型值：5A/mm²），会使整体受热更均匀（+89℃）。

三、结论：母线排内的热传导

因为功率密度（损耗）很低，且导体有很高的热传导性，所以热传导Rcond不能决定总热变电阻Rthe。

四、在外表面上：对流和辐射

热量到达外冷却面A之后，立即通过对流通量Qconv和辐射通量Qrad，经由外冷却面A，从物体上排出。

为了尽量减少温升，不但要有很低的热变电阻Rt，物体的外冷却面积A也应尽可能大。

在任何电气部件中，总外冷却面积应尽可能大，以保证良好的排热效果。ROLINX®母线排采用扁平薄片结构，因此对于它的体积来说，它的总表面积非常大，因此ROLINX®母线排在这方面具有很大优势，还可以进一步优化ROLINX®母线排，使外冷却面积A尽可能大。

对于IGBT模块，热损耗是从另一个角度（KW范围）来看的，冷却面积是固定的，不属于设计参数。仅Rt可能受冷却方式和散热片设计的影响，以便以所需的系统寿命适应所增加的损耗。

中型母线排的散热量在50W的范围内，而IGBT/SiC芯片产生的损耗在1到5kW之间，所以需要不同的冷却方式。因此，最佳冷却方式与总散热量和允许温升有直接关系。

能够以典型热通量Q（所消除的热量P（W）除以表面积A（dm²）得到的结果）影响外表面的典型冷却方式包括：

1、自然对流：损耗Q在5W/dm²的范围内（外表面）：手机等大部分装置；取决于装置的允许温升。

2、强制空气冷却：损耗在50W/dm²的范围内：带有强制空气冷却器的散热片，或投影机。

3、强制水冷：损耗达到 5kW/dm²，IGBT/ 碳化硅模块。

母线排自然冷却的一个典型示例是：从母线排到环境的热通量非常低，散热可以通过自然对流消除。总传导损耗在10-100W（由大小决定）的范围内。

对于最大温升30℃，当最小传热系数h是20W/m²K（向两个外表面传热）时，平均散热6W/dm²是被允许的；25x 40cm²母线排易于通过自然空气冷却实现60W的散热。母线排的设计通常假设仅有自然空气冷却这一种冷却方式。对于自然冷却来说，热传递对定位非常敏感，这是因为自然对流有赖于由装置的几何形状产生的自然空气流通；水平底部的冷却效率较低。

水平母线排定位与垂直定位会产生不同的自然对流效果。在所示的功率密度为 8.5W/dm²的母线排设置中（双面的功率密度比额定值高6W/dm²），水平定位和垂直定位的温升分别是42℃和37℃，相应的总传热系数（双面）分别是20W/m²K 和24W/m²K。垂直定位会使总传热系数增加20%。该传热系数也包含辐射。

强制对流（通过电扇）可以显著提高冷却/排热效果，使系数从5增加到10，这与增加的传热系数h（50 - 100W/m²K）对应，且与自然冷却相比，使电流增加2到3倍。在一个典型逆变器系统中，一些强制空气通常在power stack组件周围冷却，产生一些额外冷却效果，排除许多热量，并形成额外的工作温度裕度。

由于IGBT/碳化硅模块内部的功率损耗密度非常高，所以必须采用强制水冷方式。开关模块的额定功率与最高芯片温度直接相关：对于硅，通常是125℃；对于碳化硅，通常是175℃。

Rt越低，能够转换的电流和功率越高。允许Ploss直接与Rt成反比：对于芯片的相同最高温度Tj，使Rt减半意味着使允许损耗增加一倍。

若对于某些大功率逆变器系统/应用来说，水冷系统过于复杂（维护/成本），且模块采用空冷方式，则传输的功率会下降到额定功率的40%。强制空冷散热片的热变电阻Rtha明显高于水冷散热片的热变电阻Rthw。

五、辐射

辐射通常与太阳有关，含有热量（长波，或红外线）的可见光（短波）通过真空辐射到地球上。

黑色表面可以吸热（高吸收率：0.9），而白色和光亮表面可以反射短波（低吸收率：0.25）。

碰到地球后，这些波立即反射到周围环境中，通过长波辐射（所述的红外波或辐射）将热量散布到温度较低的表面上。室内供暖用“散热器”是最常见的长波辐射发热器，在这种应用中，热量不但通过对流传递，还主要通过辐射传递。在寒冷月份期间一些露台上使用的户外红外加热器中，更易于理解这一点。

而且，根据Boltzman法律规定，当温度较低时，在具有温差的物体之间会发生辐射。根据该项法律规定，热辐射与温度的第四功率值成比例。

对于长波辐射，白色表面和黑色表面的辐射率ε基本没有差异（ε的数值范围：0.9 -0.95）。金属基本不辐射任何热量（铝、铜：ε在0.04的范围内）。因此，当使用红外测温摄像头时，因为这种摄像头不能捕捉物体发出的红外辐射，所以不能恰当测量裸导体的温度。

通过自然对流测量裸导体的温升时，将导体涂成黑色。从理论上来说，黑色的辐射率ε最高（0.95）。

完全涂漆的导体的温升是44℃（图2）。

当用裸铜（仅在测量点使用胶带）进行该试验时，温度升高到70℃，意味着温度额外升高26℃或60%。在裸导体上喷漆，效果与在导体增加绝缘层相当（绝缘材料的辐射率ε较高）。这意味着，从使用非绝缘铜的多层或“简易”母线排移动到叠层“高性能”母线排会对导体温度产生显著影响。

我们通常直观认为，增加额外绝缘层会增加母线排温度（在温度升高0.66℃的条件下，观察0.44mm绝缘层上的传导性），但是与此相反的是，辐射效应会是使温度下降40%（减少26℃）。当使用风扇进行强制冷却时，因为对流占主导地位，所以会降低辐射对母线排热性能的影响。因此，自然冷却散热片通常涂成黑色（冲击辐射），而强制风扇冷却散热片通常使用无涂层铝材。

六、结论：母线排的热管理

1、母线排内的热传导不能决定热性能，但是与铜/铝的超低功率损耗密度和高热传导性有关。

2、对于从装置（母线排）到环境的热传递，若采用自然对流，则辐射是一个重要促成因素（40%），仅次于自然对流（60%）。母线排外表面（叠层）的绝缘对部件温度有很大影响。