原创 现代功率模块及器件应用技术(7)

8 功率模块的冷却
8.1 冷却装置、冷却介质和冷却方法
    功率模块的通态损耗、开关损耗、截止损耗等所产生的温升须由散热器来降低。散热器的作用是增加功率模块的传热和辐射面积、扩张热流以及缓冲传热过程。
    基于模块的绝缘性能， 一个系统的所有功率模块都可安装在一块共同的散热器上，该散热器同时还可当作结构部件，实现其他的功能(外壳、底座等)。
    散热器的散热过程为：通过直接传导或借助于传热介质将热量传递到冷却介质。
    传热介质可以是空气、水或者(在极少数情况下)绝缘油，通过其自身的重力或通过风扇以及泵来实现循环传热过程。
    冷却介质可以是自然或被强制流动的空气、水及其混合液。
    下面将主要讨论自然空气冷却(自然对流)、强制空气冷却以及仅含一种冷却介质的水冷系统。其他更为复杂的冷却方式，象热管或蒸发冷却，一般来说需要针对具体的应用做特别的没计。另外，在功率模块中油冷也几乎很少被用到。
    在材料费用和加工费用允许的情况下，散热器材料应该具有尽可能好的导热系数λ。因此，金属铝(纯铝λ=247W／m·K)通常是优先被采用的材料。在要求特别高的场合有时也可以采用铜(λ=398W／m·K)。
    值得注意的是导热系数与制造工艺以及所采用的合金有很大的关系。在实际应用中，多数散热器的导热系数λ大致在150W／m·K(铸造铝合金)和220W／m·K(AIMgSi挤压成型)之间。
    热量的扩散对散热器的散热效率有着可观的影响。因此，对散热器根部厚度的优化、翼片的数目、翼片的高度以及翼片的厚度之间比例的合适选取显得相当重要：
    1)散热器的根部是用于安装功率模块的、不含分岔的平面区域。该处与模块底板之间的温度梯度相对较小，有着明显的热扩散作用；
    2)对于空气冷却散热器来说，其大部分热量是通过翼片以辐射和传导的方式传递到周边环境的。而对于水冷散热器来说，这一作用或多或少地是由具有特定结构的水通道来实现的。
    由 Rthha=△T/Ptot=1/（αA） (40)
    可得到 Q=αA△T=Ptot
式中：Q为散发的热量；
    α为传导系数；
    A为传热面积；
    ΔT为与环境温度之间的温度差；
    Ptot为需要带走的损耗；
    Rthha为散热器的热阻。
    如果采用较多的翼片，便可以增大传热面积，但前提是能够保证流体的顺畅流动，否则α会超比例下降。
    从这一结论出发，自然冷却和强制冷却的优化条件便有所不同。
    当功耗增加时，散热器温度增高，受热也就更加均匀。也就是说，有效热交换的面积在增加。
8.2 冷却装置的传热模型
    在介绍功率模块的热性能时，等效热路中的散热器是由一个RC元件来描述的(Rthha，Zthha）。
    然而，当功耗在t=0时刻从P=0跳跃到P=Pm时，散热器的动态热抗Zthha随时间t而变化的特性曲线显示出其具有多个时间常数。系统总热抗的特性曲线Zthha(t)可以通过将功率模块的热抗与模块一散热器的热抗相迭加而得到。
8.3 自然空冷(自然对流)
    自然空冷多用于功耗低于50W的系统，以及不允许应用风扇或者器件的散热面积特别大的大功率系统。
    一般来说，在自由对流时散热器的热阻往往大于功率模块的内部热阻。所以，芯片与冷却空气之间的温度差大部分降落在散热器上。在接近模块的散热器处的温度，常常高于强制风冷时的温度，例如，在90℃到100℃之间。由于功耗通常比较小，所以根部和翼片相对较薄，而且材料的传导系数对热性能的影响不是十分重要。翼片之间的距离应当足够地大，以便在空气的升力(温度差／密度)和摩擦力之间取得较好的折衷。将散热器表面黑化可以有效地改善热辐射性能。在安装面和环境空气之间的温度差为50 K时，黑化后的散热器热阻约降低15％。值得注意的是，上述表面处理并不影响模块底板和散热器之间的传热界面。
8.4 强制风冷
    与自然空冷相比较，强制风冷时散热器的热阻可降低到1／5~1／15。
    同自由对流相比，强制风冷时的α明显要大许多。当空气的入口温度为35℃时(参数表中的额定环境温度)，强制风冷散热器的表面温度在额定运行时不应该大于80℃到90℃。
    散热器材料的传导系数对冷却的效果影响极大。因此，建议选择较厚的根部和尽可能多的翼片数目。由于热量主要通过对流而散发，所以对于强制空冷来说，对散热器进行黑化处理几乎没有什么效果。
    热阻Rthha主要由单位时间内通过的气流量Vair/t所决定。而气流量则依赖于冷却介质的平均速度Vair和流通截面A。
    Vair/t=VairA (41）
    在这里假定气体的流动为层流。实际上，如果翼片表面的设计合适，在翼片表面附近的空气涡流会在翼片中形成紊流，从而地一步改善热传导的效果。
    当翼片数目和翼片宽度进一步增加时，散热器的流通面积减小，冷却介质的压力降△p增加。这同增加散热器的长度(翼片长度L)是一样的。因此，传热的效果还与风扇的性能有关。图53给出了风扇的特性△p=f（Vair/t）。

    由风扇的特性和散热器的压差曲线△p=f（Vair/t，L）或△p=f（Vair，L）可以得到空气的流量，如图54所示。它们的交点决定了散热器的热阻。

    除了空气的流量以外，Rthha还取决于散热器上热源(功率模块)的分布及其位置。
    如果需要对强制风冷的散热器剖面进行优化，则可以将其热传导与热对流的函数对翼片的高度进 积分。经简化后可以得到式(42)
   

    α为对流系数；
    U为翼片的周长；
    λ为散热器的热传导系数：
    A为翼片的截面；
    h为翼片的高度。
    常常有数个散热器共用一个风扇的情形。在此情形下，散热器既可以并联(散热器左右相邻)，又可以串联(散热器在空气流动方向上前后相接)。
    尤其是在热串联的情形下，例如，用标准GB电路(半桥模块)的SKiiPPACK构成三相逆变器时，需要在传热设计中特别注意冷却空气会被前置的SKiiPPACK所加热。
    作为经验值，在空气流量为300m3／h时，每kW功耗所导致的进出口空气温差可达10℃左右。
8.5 水冷
    对于功率模块进行水冷既可以用于特大功率的变流器(MW级)，又可以用于较小的功率，条件是系统本身已经提供了循环水的装置(例如，汽车驱动、电解装置、感应加热等)。
    如果冷却介质的热量被直接释放到环境大气中，则冷却介质的进口温度多为50℃~70℃。在具有主动制冷的工业装置中也可以是15℃~25℃。
    和空冷相比，散热器的表面和冷却介质之间的温差比较小。它可以从两方面来加以利用：
    1)提高功率，在负载循环变化时允许芯片产生更大的动态温差△Ti；
    2)降低芯片的温度，延长寿命。
    由于水具有较大的热容量(比热容Cp=4.187kJ／kg·K)，所以它原则上优于其他液体介质，如油、乙二醇等。
    然而，由于水可能会引起生锈和结冻，所以开放式的或封闭式的纯水循环系统极少被应用。
    如果将水与醇相混合，则冷却液的热容量会下降(当入醇量为50％以及流体温度为40℃时Cp=3.4kj／kS·K)。另外，冷却液的粘度和比重随加醇的比例上升而上升，导致散热器和冷却液之间的热阻Rthha急剧增加。例如，同纯水相比，含50％醇的冷却液热阻会增加约50％~60%；而当醇含量为90％，时，热阻会进一步上升60％~70％。
    为了防锈的目的，SEMIKRON的铝制水冷散热器要求醇的含量不低于10％。冷却液的硬度不得超过6。当冷却温度大于60℃时，则建议使用循环式的冷却液。
    采用水冷时，带功率模块或SKiiPPACK的散热器也叮以串联。作为经验值，每个散热器(例如，SEMIKRON用于SKiiPPACK的水冷散热器)在流量为10L／min以及采用50％／50％的水醇混合液时，每kW功耗的进出口温差约为1.7K。

9 功率电路的设计
    MOSFET、IGBT或SKiiPPACK模块的功率电路可以由印刷线路板、铜线、导电铜排或铝排构成，取决于模块所开关的电流和电压等级。
    除了常规的安装规定以外，例如，爬距、电火花间隙或电流密度，由于系统的开关时间极短，约在ns至μs范围内，功率电路的设计还须满足高频技术的要求。
9.l 寄生电感和电容
    图55显示了一个带有寄生元件的IGBT变流器的换流回路。它由直流电压源vd(对应于换流电压vk)与两个带有驱动器和反向二极管的IGBT开关所组成。换流电压由直流母线电容Cd所维持。外加电流iL从换流回路流出。

9.1.1 换流回路的总电感
    在含有S1和D2的换流回路中，参与换流的总电感是L11，L61，L31，L41，L72，L52与L12之和。同理，在含有D1和S2的换流回路中，总电感是L11，L71，L51，L62，L32，L42与L72之和。
    当S1或S2开通时，换流回路的总电感缓冲了开通过程，使S1或S2的开通损耗得以降低。
    但当S1和S2关断以及在D1和D2反向恢复时，由于di／dt很高，回路电感会在晶体管和二极管中感应出开关过电压。这一效应使得关断损耗增加，且功率半导体的电压应力也随之增加。
    这一效应的负面影响在短路和过载时尤为突出。另外，当线路中还存在着寄生电容时，可能会引起高频振荡。
    因此，在采用硬开关的变流器中，换流回路的总电感应当尽可能地小。除了L11和L12以外，其他部分的电感均为模块的内部电感，用户无法改变。所以，功率模块制造商的责任在于通过不断改善模块的构造技术以使得其内部的电感最小化。
    SEMIKRON在参数表中给出了模块主电路端子之间的有效内部电感(例如，SKMIOOGBl23D的LCEmax=30nH）。
    如果模块仅含一个开关(一只IGBT或MOS—FET加一只反向二极管)，则在其构成逆变器的一相时，应使两个模块之间的连线电感尽可能地小。
    特别重要的是使直流母线回路的电感尽可能地小。这一方面取决于母线铜排的放置方式，另一方面取决于功率模块与直流电路的连接方式。在实际的变流器结构中，层叠状(平行且相互靠紧)的铜排系统得到了广泛的应用。此类结构可将铜排的电感降低至25~50nH的范围。
    虽然L11+L12对功率模块也有影响，但可以通过在功率模块的直流电路端子间并联C、RC或RCD等缓冲电路来减小。在大多数情况下，一个由薄膜电容构成的简单C缓冲电路便足够了，电容值约在0.1~2μF之间。
9.1.2 发射极或源极边的电感
    发射极或源极边的电感L31及L32既位于功率电路，也位于晶体管的驱动电路。
    当晶体管的电流快速变化时，所感应的电压将反馈到驱动电路(发射极或源极反馈)。这一现象将延缓栅极 发射极电容在开通时的充电速度以及在关断时的放电速度，从而使开关时间和损耗增加。
    另外，如果在模块附近发生负载短路，则发射极反馈现象可被用来限制集电极电流的di／dt.为了降低电感L31及L32，功率模块往往在发射极处具有一个独立的驱动端子。
    如果逆变器底部开关的驱动电路由一共用电源供电，则位于驱动地线和直流电路负极之间的寄生电感可能会在对地回路中引起振荡。为此，可在驱动电源输出端附加高频稳定电路。对于大功率变流器来说，可以采用隔离的独立驱动电路。
9.1.3 电感L21和L22
    L31以及L32为驱动器末极和晶体管之间的引线电感。它除了使驱动电路的阻抗增加以外，还可能与晶体管的输入电容一起引发振荡。其解决办法是在驱动器末极和晶体管之间采用尽可能短的低电感引线。
9.1.4 电容
    图55中所示的电容Cxx表示了功率半导体的本征电容。它们随电压而变化，具有非线性的特性。它们构成了换流电容Ck的最小值。从原理上说，它们有利于降低关断过程中的损耗。
    在开通时，换流电容的充放电会引起附加损耗。在多数MOSFET的高频应用中，这一现象应得到重视。
    C11和C12还对栅极产生dv/dt的反馈效应。
    器件的本征电容与开关附近的电感一起可能会引发振荡。
9.2 电磁干扰与对电网的干扰
9.2.1 变流器的过程
    如果考察一个变流系统的运行过程，则功率模块的开关工作方式一方面会产生不受欢迎的电磁干扰，另一方面又完成能量传递及必要的信号处理过程，如图56所示。

    这一过程可以按能量的高低做进一步的划分。高能量过程可能会在电网和负载中引起电磁干扰，其频率范围在基波和10kHz之间。而低能量过程的频率范围则大致在10kHz~30MHz之间，主要产生辐射干扰且其传递无须借助导线。这里所提到的频率范围主要由所采用的测量方式所决定，并非完全对应于其物理数值。
    变流器在低频范围内的下扰被称作电网回馈干扰，习惯上用电流的高次谐波分量来表达，直至2kHz。而大于10kHz的干扰则被称作无线电干扰，由于采用了选择性的频谱测量，所以多用干扰电压的频谱来表达，其单位是dB／μV。对于这一频率范围(功率模块的开关频率多在此范围)，目前正在讨论建立一致的测量方法以及定义各极限值。有关这些干扰效应的讨论还没有取得完全一致的结论，因为，同样的物理过程可以通过不同的观察方式去描述。不同的定义，例如，零电流、对地电流或不对称干扰电压，其区别仅在于所定义的频率范围不同，以及所有的开关参数均和频率相关而已。如同无线电干扰过程本身一样，参数对频率的依赖性是连续的，因而其过渡范围也极其宽广。
9.2.2 干扰电流的产生
    所有的干扰源于功率模块的开关工作方式。利用图57所示的等效换流问路可以阐述干扰的产生。

    在一个感性的换流过程中，开关S1开通时，开关S2已处于导通状态。
    在硬开关过程中(LK=LKmin，CK=CKmin），首先以di／dt进行换流，该di／dt由S1的参数所给定。换流过程至S2的电流反向吋结束，该反向恢复电流的di／dt与回路中的有效电感以及有效电容CK一起触发了电压的换流过程并决定了电压的dv／dt。回路中的有效电容即所有的有效对地电容CΣ，与之并联的还有换流电压的对地阻抗。在换流过程开始时，S1的di／dt在换流电容及其并联网络1中引起一个对称的电流idm。在换流过程接近结束时，S2的反向恢复di／dt以及可被视作电流源的L引起的dv/dt，并在换流电容CK的并联网络中引发了不对称电流icm。
    如果增大LK，则可以使廾通过程变软、di/dt减小、对称的干扰电流也随之减小。但较大的LK会引起非对称干扰电流的增加。在换流过程开始时，dv/dt是由S1的开关特性所决定的。但在换流过程结束时，电压会出现跳跃，并由S2的恢复特性所决定。将开关变软，直至零电流开关模式，可以降低对称的干扰电流并改变对称电流的频谱，但却不能使其有效地减小。
    一个容性的换流过程则始于开关S1的关断。在硬开关过程中(CK=CKmin），并联于换流电容的对地有效阻抗与开关S1的参数一起决定了不对称电流的大小。电流换流过程出现于电压换流过程之后，对称的干扰电流由S1的关断特性以及S2的导通特性所决定。
    通过增大CK可使得关断过程变软。关断过程由电流的换流过程开始，其di／dt由S1所决定，此时的电压较低。延缓了的dv／dt可以降低电压换流过程中的非对称电流。接下来，S2被打开并决定了电流换流过程的di／dt。如果引入零电压开关模式，则该软开关将降低非对称的干扰电流，但对对称的干扰电流则无明显的作用。而电容CK的增加会扩大其在容性分流器中的分流比例，从而降低了网络1的对称千扰电流。所以，在ZVS模式下，采用相位控制的软廾关变流线路可以降低非对称的干扰电流，而在ZCS模式下则降低对称的干扰电流。但在采用辅助的换流回路且交替使用ZVS和ZCS的软开关变流线路中，同硬开关线路相比较，干扰电流并没有明显的降低。
9.2.3 传播途径
    在测量无线电干扰电压时，采用有选择的测量方法来测量变流器的电网结点对大地的电压波动。标准的测量过程是借助于一个电网阻抗稳定网络来测量对于参考地的电压波动。在研究电磁干扰频率范围内的对称与非对称干扰电流时，所有低频范围的简单开关器件都可以通过附加的电感、电阻和电容来补充，以增强其对频率的敏感度。
    图58显示了一个简单的降压斩波器，在这里电网阻抗稳定网络(LISN)替代了图57中的网络1，而负载则替代了网络2。

    模块则构成了S1和S2及其换流电感和电容的等效电路。前述的干扰电流在这里被简化为一个电流源，代表对称的干扰电流，以及一个电压源，代表非对称的干扰电流。在两个等效电源中，由测量而得到的半导体特性可以用时间函数来表示．如图59所示。

9.3 预装好的功率单元
    SEMIKRON提供巾模块、MiniSKiiP或KiiP构成的预装好的功率单元。这些单元是根据上述原则设计的，并针对所采用的功率模块特性进行了优化。
    功率单元的功能为：
    1)输入整流器，由二极管、晶闸管或晶体管所组成；
    2)叠片式直流母线，由三明治式导电铜排或铝排、电解式电容或薄膜式电容、高频抗扰电容、均压和放电电阻所组成；
    3)逆变器桥臂，由IGBT或MOSFET模块以及SKiiPPACK所组成；
    4)水冷或风冷散热器，风扇可选；
    5)驱动板，包括保护功能、传感器、电源和电位隔离部分。
    在交货前，功率单元将在准应用的条件下进行测试。
9.3.1 采用MiniSKiiP的功率组件
    图60显示了一个功率组件的方框图和实物图。该组件采用了MiniSKiiP8，在电网电压为400V时，该组件的最大输出功率可达15kW。

    这一功率组件的核心部分是一块印刷电路板，其上集成了SKiiP83ANBl5(二极管整流桥+制动斩波器，代号ANB)或SKIIP83AHB15(晶闸管半控桥+制动斩波器，代号AHB)、SKiiP83AC121(IGBT三相逆变器，额定电流120A／25℃，带交流电流传感器)、直流母线回路(700μF)、驱动器(包含电位隔离、电源、过流保护、过温保护和欠压保护以及直流母线的充电电路(AHB型)。
    通过MiniSKiiP器件以及其他的支撑点，可以将该印刷线路板安装到散热器上。
9.3.2SKiiP功率组件
    如果客户有要求，SKiiP功率组件可含一个或数个SKiiPPACK(也可以是并联)、三明治式直流母线电路、整流桥、风扇以及附加的吸收电路。
    图61显示了不同的直流母线电路结构，如垂直式或水平式。

    在电网电压230~690 V的范围内，所有的SKiiPPACK均可构成SKiiP功率组件。采用并联SKiiP的方式，组件的输出功率可达MW级。同时，除了SEMIKRON所提供的标准散热器以外，几乎任何客户提供的空冷或水冷散热器均可以被采用。
    图62显示了一个SKiiP功率组件，该组件用于电网电压为690V(直流母线电压叮达1200V)，含有三个具有光纤输入的SKiiPPACK、三明治式的直流母线电路、以及一个轴流式风扇。当开关频率为3kHz以及冷却空气的进口温度为35℃时，组件连续输出电流的有效值(50Hz)可达250A，1min的过载能力为375A。
9.3.3 采用IGBT或MOSFET模块的功率组件
    如果某些应用不能用SKiiPPACK或Mini SKiiP功率组件，则可以采用模块、驱动板、标准散热器以及叠片式直流母线电路来构成功率组件。这些组件也可以在准应用的条件下进行测试。
    上述功率组件已经具备了子系统的特性。对于用户和制造商来说，这一点决定了组件的设计工作和模块相比较有所不同。