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2023-11-16
功耗及结温对电子器件的影响
【摘要】：动态损耗包括开通损耗和关断损耗，受负载电流、直流母线电压、结温及开关频率等因素影响。最高结温Tjm是指器件正常工作时的pn结最高温度，一般低于本征失效温度，对于硅器件，Tjm通常在200℃以下[18]。对于高可靠性民用设备，硅器件Tjm取135～150℃；对于普通民用设备，Tjm取125℃。
1.功耗组成
任一种功率器件在使用过程中都必须同时受通态功耗、开关功耗和耐用性（Ruggedness）的制约。总损耗越大，耐用性就越低；通态损耗越小，动态损耗就越大；反之亦然。所以，功率器件的设计思想是，在不断提高电压容量的前提下，更好地协调导通特性与开关特性两者之间的矛盾，将总功耗降至最低，并尽可能提高器件使用时的可靠性，使其结实、耐用。
功率器件在开关运行状态下的功率损耗分为静态损耗、动态损耗及控制极驱动损耗。相比较而言，驱动损耗很低，可以忽略。静态损耗包括断态损耗和通态损耗，其中断态损耗主要由阻断状态下器件的漏电流决定。常温下器件的漏电流很小，故断态损耗极小，可以忽略。但在高温下漏电流会显著增加，断态损耗也增大，不可忽略。通态损耗由通态压降或导通电阻决定，并受负载电流（由UCEsat给定）、结温及占空比等因素的影响。动态损耗包括开通损耗和关断损耗，受负载电流、直流母线电压、结温及开关频率等因素影响。减小开关时间可降低器件的开关损耗。当功率频率较高时，开关损耗很高。
通常单个芯片的断态损耗较小，所以总损耗主要由导通损耗和开关损耗组成，可用下式表示：
PT=Pfw+Pon+Poff （9-6）
式中，Pfw为单个器件的通态损耗；Pon为单个器件的开通损耗；Poff为单个器件的关断损耗。对于n个IGBT和m个二极管组成的混合功率模块，总损耗PT可用下式来计算[4]：
PT=nPtot/T+mPtot/D （9-7）
式中，Ptot/T为单个IGBT的总损耗；Ptot/D为单个二极管的总损耗。当频率较高时，开关损耗与频率成正比。
2.最高允许结温
由于功率损耗会导致器件的工作温度（即结温）上升，因此，要确定器件安全区工作（SOA）所允许的最高结温Tjm，任何工作情况下都不允许超过此值。最高结温Tjm是指器件正常工作时的pn结最高温度，一般低于本征失效温度，对于硅器件，Tjm通常在200℃以下[18]。
本征失效温度Tint定义为本征载流子浓度ni等于本底掺杂浓度ND（cm-3）时所对应的温度。根据以下经验式来确定[19]：
本征失效温度与器件的材料种类和掺杂浓度有关。如硅掺杂浓度为1010cm-3时，本征失效温度为230℃；而掺杂浓度为1016cm-3时，本征失效温度则为450℃。实际上，因工艺、材料和结构的不完善以及产品可靠性、成本要求，结温需降额。
在可靠性要求不同的设备中，器件的Tjm也不同。可靠性要求越高，要求器件正常工作的最高结温就越高。对于高可靠性军用设备，硅器件Tjm取150～175℃；对于普通军用设备，Tjm取125～135℃。对于高可靠性民用设备，硅器件Tjm取135～150℃；对于普通民用设备，Tjm取125℃。
3.常用散热器
为了防止功率器件工作过热，通常采用外加的散热器来加强热传导，及时将器件工作时产生的热量通过传热通路散发出去。功率器件散热器设计的优劣，将会影响电力电子设备的可靠性。当温度高于50℃后，每升高10～15℃，设备的故障率将翻倍。常用的散热器有风冷式（包括自然风冷和强迫对流）、液体冷却式（包括油冷式和水冷式）和热管蒸发冷却式等，如图9-50所示。
（1）风冷 自然风冷式散热是指器件和散热器依靠周围空气的自然对流和热辐射来散热，如图9-50a～c所示。一般仅用于电流容量较小的器件。散热器的制造、安装、使用方便，但散热效果差。强迫风冷式散热是指器件和散热器依靠流动的冷空气来散热。冷空气由专门的风扇或鼓风机通过一定的风道供给。风冷式散热效果比自冷式好，使用和维护也比较方便，适用于中等容量和大容量的电力半导体器件。其缺点是有噪声，并且当容量较大时，散热器的体积、重量都很大。
（2）液体冷却 油冷式散热通常是采用变压器油作为冷却介质，分为油浸冷却和油管冷却两种。散热效果好、低噪声，能同时冷却辅助器件[20]，并且能防止外界尘埃，散热器几乎不用维修，但体积和重量较大。这种技术常用于机车牵引系统中。水冷式散热通常是用水作冷却介质，如图9-50d所示，散热效果好，体积小，适用于大容量器件，但需循环供水系统，对水质要求也较高，常用于电解电镀电源和中频感应加热电源等现场有供水系统的场合。
图9-50 功率器件和模块用散热器
（3）热管冷却 利用液体沸腾蒸发时吸收热量的原理将器件产生的热量传递到散热面，如图9-50e所示的热管散热器。冷却介质常采用氟利昂、水或甲醇等低沸点低腐蚀性液体。这种方式散热效果好，散热器体积小、重量轻，是一种较好的冷却方式。但散热器结构复杂，工艺要求高。热管的冷却功耗可达到2kW，而且体积小，这在机车牵引应用中很有优势[9]。
（4）嵌入式热管 如图9-50f所示，嵌入式热管散热器是2012年Aavid公司开发的一种新型散热器[21]。它是通过在普通风冷散热器基座表面内镶嵌热管，将器件工作时产生的热量快速地传递到散热面的四周，使散热面积的利用率大幅度提高，从而改善了散热器的散热效率。
在功率器件使用时，要合理选择散热器，首先考虑自然冷却或用风扇冷却，最后考虑采用水冷或油冷。在设备初始设计阶段，就应考虑好散热器的尺寸和重量及在设备柜内的位置和周围可能产生的温度（按最差工况考虑），注意使其有充足的空间产生对流。在安装不同散热器时，要根据产品手册中的要求进行安装，在使用中应保证符合规定的冷却条件，特别是水冷散热器使用过程中，应注意防漏水、防堵塞、防凝露，出现问题时应及时处理或更换散热器。
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