IGBT 模块散热设计分析

刘 刚

（湘潭电机股份有限公司，湖南 湘潭 411100）

0 引 言

绝缘栅双极型晶体管IGBT 是近年来常用的功率器件，其应用环境决定了其必须具有高度的热可靠性。根据相关研究显示，IGBT 寿命周期内将经受外界温度变化、106～107次功率循环，当工作温度升高时，IGBT失效的风险随之增大，对此加强IGBT 模块散热设计分析具有重要现实意义。

1 IGBT 模块介绍

IGBT 模块是集成电力电子模块重要器件，被广泛用于电动汽车、不间断电源、风力涡轮机等，在工业领域扮演了极为重要的角色[1]。IGBT 兼具MOSFET、GTR 优势[2]，集合了高频、高压、大电流等特点，可有效节能减排，是未来应用发展必然方向。

近年来，随着功率模块小型化的发展与功率等级的不断提高，IGBT 模块不可避免的会散发更多热量，然而一旦过热将直接威胁IGBT 运行可靠性，由此加强IGBT 模块散热设计研究具有重要的现实意义。

2 IGBT 模块散热方法分析

2.1 散热方法

近些年，基于电力电子器件的实际发展情况，对散热方面的研究不断深入，应用较为普遍的散热方法有风冷、液冷、热电制冷、热管制冷等[3]。为实现热量更好的散发，需对IGBT 模块外部散热装置、芯片结构进行全面优化。根据相关研究可知，液冷换热系数更高、效果更佳，风冷则成本相对较低，对此需热设计工作者根据实际情况合理选择散热方式。

2.2 散热设计步骤

IGBT 模块散热设计工作步骤[4]的归纳分析如下：

第一步，按元件负载情况，计算功率元件损耗；

第二步，经验法估算散热系统热阻，使用热阻等效电路法计算功率元件、散热器温度场分布情况；

第三步，全面分析功率元件最高允许结温、温度场分布、实际环境条件，确定最佳散热方案。

2.2.1 热阻等效电路

热阻等效电路如图1 所示，PTr、PD、Pe为单个IGBT 总损耗、续流二极管总损耗、其他发热元件损耗；Tj-Tr、Tj-D、Tj-e为IGBT、续流二极管、其他发热元件的结温；R(j-c)Tr、R(j-c)D、R(j-c)e为单个IGBT、续流二极管、其他发热元件的结温区至外壳热阻；Rc-a、Rc-s、Rs-a为元件外壳至大气、散热器以及散热器至大气的热阻；Ta、Tc、Ts为环境、IGBT 外壳、散热器表面的温度。

图1 散热系统热阻等效电路图

2.2.2 热阻参数

根据图1 分析可得：

（1）R(j-c)Tr、R(j-c)D、R(j-c)e影响因素为功率元件材料、结构；

（2）Rc-s影响因素为散热器与模块表面接触状况；

（3）与Rc-s、Rs-a相比，Rc-a数值十分大，由此Rc-s、Rs-a并联时可忽略；

（4）多采用经验法，获得Rs-a值。

2.2.3 各点温度计算

根据热阻等效电路可确定各热阻值，进一步分析温度分布情况，具体可参考公式：

式中：Ptot为模块总损耗。

2.2.4 散热器设计

目前，肋片散热器应用较多，其结构紧凑、体积小，但需设辅助风道，对风机性能提出了更高的要求[5]。因此，IGBT 散热设计时，需重视结构优化工作，全面降低热阻，切实满足功率元件散热要求。

3 实例分析IGBT 模块散热设计

本文仅以一个DCDC 模块的水冷板设计为例展开分析，详细描述如下。

3.1 设计参数

该DCDC 模块包含4 个IGBT 模块和1 个电感模块，水冷板及器件布局如图2 所示。

图2 水冷板及器件布局图

本模块相关设计参数如下。

（1）IGBT 型号：英飞凌 FF450R17ME4。

（2）IGBT 散热要求：每个IGBT 散热功率为 1.25 kW，共计5 kW；IGBT 底板温度不能超过75 ℃。

（3）电感模块散热要求：电感模块散热功率为 4 kW；电感底板温度不超过85 ℃。

（4）环境最高温度：45 ℃。

（5）水冷循环介质：满足零下-40 ℃不结冰。

（6）水冷板材料：航空铝6061。

（7）IGBT、电感的水冷散热底板进出水口温升不超过4 ℃。

3.2 设计思路

（1）水循环介质

水循环介质需满足-40 ℃不结冰要求，查表后选择体积浓度52%的EGW 溶液。52%的EGW 溶液在65 ℃时的物理性质如表1 所示。

（2）估计流量

IGBT、电感的水冷散热底板进出水温升k≤4 ℃，DCDC 模块总发热量Q=9 kW，体积流量计算公式如下：

将相关参数代入式（2）计算体积流量为37.7LPM，初步使用40LPM 进行计算。

（3）水道设计

水冷板水道设计如图3 所示，建立三维模型，水道等效管径DN25 mm，导入ANSYS Workbench 进行热分析计算，设定相关参数和边界条件。

图3 水冷板水道设计示意图

由计算分析结果可知：水冷板进口、出口温度 63 ℃、66.9 ℃，IGBT 与水冷板接触位置最高温度 75 ℃，电感模块与水冷板接触位置最高温度81.7 ℃。满足DCDC 模块设计参数需求。

4 结 论

IGBT 模块运行期间不断产生发电热效应，工作温度提高后，将由于热疲劳的问题影响工作性能，甚至出现故障问题。由此，实际设计时，需做好相关计算分析，合理确定IGBT 散热功率、运行温度要求，科学选择散热方法与材质，满足散热要求。