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 = A T
[ 2]
式中, ID S为脉 冲电流幅 值; UON 为 开关器 件通态压 降 ; 为输出波形占空比。 在实际应用中, 生产厂家在 MOSFET 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 C 损耗往往由公式 ( 1 ) 变形为下 面的公式计算得到。 2 P C = IDS R DS ( 2) 式中, IDS 为脉冲电流幅值; 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) : U S IM [ 4] 感性负载时 , P S = ( ton + toff )f ( 3) 2 U S IM [ 4] 阻性负载时 , P S = ( ton + toff )f ( 4) 6 式中, US 为断态电压值 ; IM 为通态电流值 ; f 为开关 频率值 ; ton为开通时间值 ; toff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 , MOSFET 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 US 很高的情况下, 则微小的漏电 流 ICO仍可能产生较为显著的断态功率损耗 P CO: P CO = ICO US ( 1 - ) ( 5) 式中, ICO为功率器件断态漏电流 ; US 为断态电压 ; 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 GTO、 GTR 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唯一依据。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最大功率损耗来 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 : RR = T CM - T a Pd
[ 6]
( 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 ( GB742312287 ) , 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 ) 。
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 MOSFET 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。 参考文献 :
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] 电力电子设备 设计和 应用技 术手册 [M ]. 北京 : 机械 工业出版社 , 1990. 丁道宏 . 电力电 子技 术 第二 版 [ M ]. 北 京 : 航空 工业 出版社 , 1999. 张一工 , 肖湘宁 . 现代电力电子技术原理与应 用 [M ]. 北京 : 科学出版社 , 1999 . 林渭勋 . 现代电 力电 子 电路 [M ]. 杭州 : 浙 江大 学出 版社 , 2002. 杨 旭 , 马 静 , 张新武 . 电 力电子装置强制风冷散热 方式的研究 [ J]. 电力电子技术 , 2000 ( 4 ): 36 38. 旷建军 , 林周布 , 张文雄 . 电 力电子器件强制风冷用新 型散热器的研究 [ J]. 电力电子技术 , 2002 ( 4 ): 72 73.
R = R jc + R cs + R s a
[ 2]
( 7)
引入紊流以增强局部 对流来增大
等。通 常情况
设器件允许的最高运行结温为 T 源自, 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 s a ) + T a
[ 2]
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 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 , 尽量最优。
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
MOSFET 功率开关器件的散热计算
0 引
言
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。
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 MOSFET 功率开关器件的散 热进行了讨论。
( 6)
式中 , R R 为需要具备的散热器热阻 ; T CM 为功率器件 所允许的最高管 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