（化工过程机械专业论文）热管式大功率电子模块散热器的研究与开发.pdf

南未工_ 土学碛士嚣位论文 摘要 摘要 热管是一种高效传热元件，特别适用于小温差高热流密度条件下的散热。随着电子技 术的飞速发展，电子元件的热流密度亦愈来愈高，将热管技术应用于大功率电子元器件中 的散热，已成为当前一个十分重要的课题。 作为典型的大功率电子模块i g b t ，具有与其它大功率电子元器件相似的热设计要求， 本文针对i g b t ，在查阅大量相关文献的基础上，应用理论分析和试验研究相结合的方法， 系统地研究了此散热器中的传热核心元件热虹吸管的性能，并丌发研制热管式i g b t 散热器。 本文的主要研究结果为： ( 1 ) 热虹吸管启动性能的研究：通过对从不同充液量、启动前状态、内部汽化核心状 态对启动的影响所进行的试验研究，认为大长径比的铜一水熟虹吸管管内相变不仅仅为沸 腾，而是以蒸发为主，伴有薄液膜的沸腾。本文从理论的角度，定性地分析了受蒸发面积 控制的蒸汽生成量对热虹吸管启动性能的影响。通过管壁上某一特征热电偶的温度变化过 程，分析说明了热虹吸管在启动整个过程内部的蒸汽压、蒸汽流量、相交面积以及蒸汽生 成量的一些半定量的关系； ( 2 ) 最佳充液量的研究：热虹吸管的传热性能与其充液量有着密切的关系，本文采用 理论分析与试验研究相结合方法，对热虹吸管内部的充液量进行研究，给出了较为简单且 可靠的计算方法： ( 3 ) 热虹吸管在倾斜状态下的传热性能：本文讨论了热虹吸管在倾斜状态下的传热机 理及性能，研究了正常工作情况下倾斜热虹吸管的传热性能，为热虹吸管在电子模块散热 器中的进一步应用奠定了基础； 、 ( 4 ) 丌发研制了热管式i g b t 散热器：经过理论分析、模拟计算和试验验证，证明所开 发的热管式i g b t 散热器完全能满足设计要求，并且进一步分析了接触热阻是影响散热器 性能的关键因素之一。 各项研究结果表明：热管式散热器是完全可以满足散热要求的，是解决大功率电子模 块散热的有效途径。这些结果不但拓展了大功率电子模块散热器的方式，也为热管式大功 率电子模块散热器走向市场奠定了基础。 关键词：热管热虹吸管电子模块启动 充液量散热器热流密度 南童工生史学磺士学证论文a b s t r a c t a b s t r a c t a sw ek n o w , h e a tp i p ei sah i g he f f i c i e n tc o m p o n e n to fh e a tt r a n s f e rw h i c hi se s p e c i a l l y a p p l i c a b l e t ot h es i t u a t i o no f h i g hh e a tf l u x 、斩t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , i tb e c o m e sa l li m p o r t a n t t o p i c t oa p p l yh e a tp i p et e c h n o l o g yt oh i g hp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s a sa t y p i c a lp o w e re l e c t r o n i cm o d u l e i g b th a st h es a l d _ et h e r m od e s i g nr e q u e s ta so t l l e r h i g hp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s b a s e do nc o n s u l t i n gan u m b e ro fr e f e r e n c e s ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h e r m o s y p h o n ，w h i c h i st h ek e yc o m p o n e n to fh e a tp i p eh e a ts i n kf o ri g b t ，i ss t u d i e d ，a n dt h e h e a tp i p eh e a ts i n kf o ri g b ti sd e v e l o p e da n dr e s e a r c h e dw i t ht h ea p p r o a c ho f c o m b i n i n gt h e t h e o r e t i ca n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n ts t u d y t h em a i nr e s u l t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s t u d yo ns t a r t i n gu pp e r f o r m a n c eo f t h e r m o s y p h o n ：a c c o r d i n gt ot h es t u d y o nt h es t a t e s b e f o r ea n da f t e rs t a r t i n gu po f t h e r m o s y p h o nw i t ht h ev a r i o u sf i l l i n ga m o u n t i ti sc o n s i d e r e dt h a t t h ep h a s e c h a n g e h e a tt r a n s f e ri n s i d et h ec o p p e r - w a t e rt h e r m o s y p h o nw i t hal a r g er a t i oo f l e n g t h a n dd i a m e t e ri sn o to n l yi n f l u e n c e db yt h eb o i l i n gd e g r e eo f s u p e r h e a t ，b u ta l s oc o n t r o l l e db y e v a p o r a t i o na n dc o m p a n i e dw i t ht i l eb o i l i n go f t h et h i nl i q u i df i l m t h ei n f i u e n c eo ft h ev a t o r a m o u n tf r o mt h ec o n t r o l l e de v a p o r a t i o na r e at ot h ep e r f o r m a n c eo ft h et h e r m o s y p h o ni ss t u d i e d t h e o r e t i c a l l y t h es e m i q u a n t i t a t i v ec o r r e l a t i o no fv a p o rp r e s s u r e 。v a p o rf l o wa m o u n t ，a r e ao f p h a s ec h a n g e a n dv a p o ra m o u n ti n s i d et h et h e r m o s y p h o nd u r i n gt h ew h o l e p r o c e s so fs t a r t i n gu p i sd e s c r i b e db ym e a n so f t h e t e m p e r a t u r ec h a n g e o f a t h e r m o c o u p l e i n s t a l l e do nt h ep i p ew a l l ( 2 ) s t u d yo nt h eo p t i m a lf i l l i n g a m o u n t ：1 kp e r f o r m a n c eo ft h e r m o s y p h o ni sg r e a t l y a f f e c t e db yt h ef i l l i n ga m o u n t t h ew o r kf l u i df i l l i n ga m o u n ti nt h et h e r m o s y p h o ni ss t u d i e d ，a n d t h em o r es i m p l ea n dr e l i a b l ea p p r o a c ho fc a l c u l a t i n go p t i m a lf i l l i n ga m o u n ti s p r e s e n t e db y m e a n so f c o m b i n i n g t h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y ( 3 ) s t u d y o nt h e p e r f o r m a n c e o ft h ei n c l i n e d t h e r m o s y p h o n ：t h e m e c h a n i s ma n d p e r f o r m a n c eo f h e a tt r a n s f e ri n s i d et h ei n c l i n e dt h e r m o s y p h o n a n dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo f t h ei n c l i n e dt h e r m o s y p h o ni no p e r a t i n gs i t u a t i o na r ed i s c u s s e d 1 1 l ef o u n d a t i o no fa p p l y i n g t h e r m o s y p h o n t oh e a ts i n kf o rt h ee l e c t r o n i cm o d u l ei sb u i l t ( 4 ) d e v e l o p m e n t o f t h ei g b th e a tp i p eh e a ts i n k ：i ti sf o u n dt l l a tt h eh e a tp i p eh e a ts i n kf o r i g b tc a i l c o m p l e t e l y m e e tt i l e d e s i g nr e q u e s t st h r o u g ht h e t h e o r e t i c a n a l y s i s ，s i m u l a t i n g c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a iv e r i f i c a t i o n t h e n t h eo n eo fk e yf a e t o r so fi m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c eo f h e a ts i n ki st h ec o n t a c tt h e r m a lr e s i s t a n c e a l lo fr e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t e dt h a th e a tp i p eh e a ts i n kf o ri g b tc a nc o m p l e t e l ym e e tt h e t h e r m o d i s p e r s i o nr e q u e s tw h i c hi s 锄e f f e c t i v em e t h o dt o s o l v et h ec o o l i n go ft h ep o w e r e l e c t r o n i cm o d u l e t h e s er e s u l t sn o to n l yd e v e l o pt h ew a yo fa p p l y i n gh e a ts i n kf o rp o w e r e l e c t r o n i cm o d u l e b u ta l s oe s t a b l i s ht h eb a s eo fc o m m e r e i a l i z a t i o no fh e a tp i p eh e a ts i n kf o r p o w e r e l e c t r o n i cm o d u l e k e y w o r d s ：h e a tp i p e t h e r m o s y p h o n e l e c t r o n i cm o d u l es t a r tu p f i l l i n ga m o u n t h e a ts i n kh e a tf l u x 南京工业上学唾士学证铬文 英文小写字母 热扩散率 环境系数 直径 摩擦系数 重力加速度 汽化潜热 玻耳兹曼常数 长度 质量 分子量 质量流量 分子数 热流密度 半径 速度 坐标轴 英文大写字母 表面积 比热 力 压力 热量 电阻 热阻 气体常数 无因次剪切力 温度 电阻的温度系数 体积 符号表 m 2 j k g 1 k n p a w q k w o k m 3 叔由m秆耐三蚪坩m d m ， z 口。d厂g七，m?所甩；孙 彳c f p 口r 足r s r 脚y 符号表 希腊字母 口 8 6 口 l p f f 9 r q 下标 a c e l j l m a x m l n o r s v w z o o 准则数 功率 对流换热系数 气体膨胀系数 厚度 过余温度；夹角 导热系数 动力粘度 运动粘度 密度 时间 剪切力 直径 线质量流量 充液比 环境；绝热段 冷凝段 蒸发段 初始值；内部 连接点 液相 最大值 最小值 外部 径向 饱和 气相 管壁 轴向 无穷远点 w w m - 2 k 。1 k j m k ：。 w m 一k i k g f n 1 s 。1 m 2 , $ - 1 k g m 3 s n m 。2 m k g m l 南京工土土学硕士考证论文 b o ：a l g r ：g p p a t v n u ：u l 五 p r ：兰 a r e ：型 毕渥特数 哥拉晓夫数 努谢尔特数 普朗特数 雷诺数 一v 南未工土太学矩士学位论文 第1 章绪论 1 1 热管散热器在电子元器件散热设备中的重要性 电子产品已经深入社会生活的各个领域。随着电子技术、加工技术和大规模、超大规模 集成电路的发展，电子元器件的散热问题渐渐凸现出来【1 i 。根据m o o r e s 定律的预言：电子产 品的集成度，每1 8 个月将翻一番。近3 0 年的实践已证明了其正确性( 如图1 1 所示) ，但电 图i 1i n t e l 处理器晶体管数量与m o o r e s 定律的比较 f i g 1 1c o m p a r i s o no f t r a n s i s t o rc o u n t s o ni n t e lp r o c e s s o r sw i t hm o o r e sp r e d i c t i o n 图1 2i n t e l 微处理器的发热量逐年变化情况 f i g 1 2 t i m e l i n ep l o t o f i n t e r c o r p o r a t i o n m i c r o p r o c e s s o r p o w e r d i s s i p a t i o n $ i 幸培论 子元器件的散热问题却显得越来越重要了。电子元器件小型化、集成化使得单位面积的散热 量陡然增加( 如图1 2 所示) 。电子元器件的工作温度范围一般是一5 6 5 c ，超过这个范围， 元器件性能将显著下降，并且不能稳定工作，因而影响系统运行的可靠性。文献 2 表明； 单个半导体元件的温度升高i o c ，系统的可靠性能降低5 0 。目前，电子元器件不仅在国防、 军工，通讯等重要领域起着关键作用，而且在人民生活中也有广泛的应用，而这些领域中对 系统稳定性的要求亦日益增高，因此，散热问题就成为电子元件应用的一个瓶颈。 从使用寿命角度来说：一般情况下，电子元件温度愈高，寿命愈短。对于大规模电子元 器件和一些民用产品，人们对寿命很重视。一般电子元器件运行寿命1 0 年以上，如果不能解 决寿命问题，这将制约电子产品的推广( 如一些新型电视机) ，因此，快速导出热量是电子元 器件应用的重要课题之一。 由于电子元器件的集成度越来越高，功能亦越来越强大，使得原来占用较大空间的电子 设备的几何尺寸以数量级的形式减小，但发热量却在增加，而且人们对于电子产品的外观要 求也越来越高，如果采用传统的散熟方式( 如翅片加风扇) 很难有市场竞争能力，这就急需 一种轻、薄、短、小、高密度，且美观的散热形式来满足市场的需要。 综上所述，在电子元器件功能设计时必须系统地考虑电子元件的散热问题。而近年来， 电脑业、通讯、军工等行业的电子产品生产厂商均感到：电子元器件的热设计必须与电子元 件设计同时进行，也就是把电子元件的功能设计和热设计看成是一项系统工程。一些市场分 析家预言：找到一种安全、高效、可靠、廉价的散热方法是今后电子工业继续高速发展的关 键 3 - s 。 1 2 大功率模块热管散热器的特性和优点 1 2 1 热虹吸管的特点和优势防】 两相闭式热虹吸管是热管的一种类型，本文中 亦简称为热管，其结构如图1 3 所示与普通热管 一样，利用工作介质的汽化与凝结，在无需外部动 力的情况下自行循环来传输热量它与普通热管的 不同之处是管内没有吸液芯，工作介质凝结后从冷 凝段回到蒸发段，不是依靠吸液芯所提供的毛细 力，而是依靠凝结液自身的重力，所以两相闭式热 虹吸管又称为重力式热管或无芯热管，简称热虹吸 管。 热 量 流 出 液体 流动 热 量 进 入 图1 3 热虹吸管示意图 f i g 1 3 s c h e m a t i c o f a t w o 。p h a s e c l o s e dt h e r m o s y p h o n 南京工土土学h 士学位论文 表1 1热管与导热率与其它材料导热系数的比较【1 3 l t a b l e1 1 c o m p a r i s o no f c o n d u c t i v i t yb e t w e e nt h eh e a tp i p ea n do t h e rc o n d u c t i o nm a t e r i a l s 热管 5 0 ，0 0 0 2 0 0 ，0 0 0 w ( m ) 铝1 8 0w ( m 1 铜3 8 6w ( m 1 垒型互! ：! 塑翌i 堑堕：羔2 由于热虹吸管是依靠重力来使工质循环，所以它只能用于重力场中，并且在使用时必须 将蒸发段置于冷凝段的下方。若蒸发段置于冷凝段上方，重力对冷凝工质的回流会起阻碍作 用，这时没有动力使冷凝工质返回蒸发段，热虹吸管就不能正常工作了，所以热虹吸管是一 个沿单方向( 由下向上) 传热的热二极管。 由于热虹吸管没有吸液芯或毛细结构，这就使其具有一系列的优点：制造工艺简单、生 产成本低廉、工作可靠、传热效率高和具有较高的临界热流密度。在有吸液芯的热管中，冷 凝液回流时要通过吸液芯，受到较大的阻力，轴向热流密度受到毛细极限的限制。在热虹吸 管中，轴向种流动阻力很小。尽管液池内的沸腾发生在狭窄的通道内，其临界热流密度要比 大容器沸腾要小一些，有研究表明，热虹吸管的临界热流密度比有芯热管大1 2 1 5 倍i l ”。 因此，热虹吸管具有广阔的应用前景。在过去的十多年内，有大量关于热虹吸管的研究报导， 其内容涉及热虹吸管的充液量、工作温度、倾角、工作介质的物理化学性质对其传热性能的 影响、热虹吸管的传热机理和传热极限以及热虹吸管不稳定工况的研究。由于热虹吸管管内 的流动与传热现象颇为复杂，受到多种因素的影响，完全用理论分析的方法是比较困难的， 表1 2热管冷却方式与其它冷却方式的比较 t a b l e1 2 c o m p a r i s o n o f h e a t p i p ec o o l i n g m e t h o dw i t ho t h e r s $ 1 幸嫱语 所以目i j i 这类问题的研究以试验研究为主。为了对热虹吸管内部的现象做更透彻的了解，首 先采用可视化研究，观察管内流动结构，建立物理数学模型，根据数学模型和试验结果得出 经验公式，并以此作为设计计算的依据。由于电子计算机的迅速发展，用数值分析的方法对 热虹l 致管的传热机理进行研究越来越受到重视。 1 2 2 热管式散热器的优点 通过表1 2 可以清楚的看到，传统的散热方式具有的缺点很难满足技术发展的要求，热 管式散热器具有如下优点： ( 1 )具有均温能力： ( 2 ) 冷热段的面积可自由调节，从而改变热流密度i ( 3 )形状灵活多变； ( 4 )体积紧凑且具有较高的散热效率。 1 3 典型大功率模块i g b t 的发展趋势 本文将以大功率模块i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 为开发研究背景，为此对于 大功率模块i g b t 的发展应用趋势做一简略概述。 随着电力电子技术进一步向高频大功率用电领域发展，大功率模块也一直向着提高频率 和提高功率这两个方面发展曾经用作电力开关的半导体器件有：晶闸管( t h y r i s t o r ) 、场控晶 闸管( f c t ) 、门极可关断晶闸管( g t o ) 、双极型晶体管( b j l r ) 、结型场效应管( j f e t ) 、功率双极 性晶体管( g t r ) 和功率型m o s f e t 等，其中g t r 和功率型m o s f e t 是较新的功率半导体元 件，但其仍不能兼顾高频和高功率；g t r 容易做到一定程度上的高电压大电流化，但难以做 到高速化；功率m o s f e t 容易做到高速化，但由于其高耐压和低导通电阻之间的矛盾难以做 蓟大电流化。 绝缘门双极晶体管( i g b l ) 是国外八十年代中期研制成功的新一代电力大功率模块，有着 广泛的应用。绝缘门双极晶体管i g b t 一方面保留了功率m o s f e t 高速的优点，另一方面又 引入了一个双极型晶体管注入载流子来调制电导，解决了大功率m o s f e t 管高耐压和低导通 电阻之间的矛盾，是一种高频率高功率的电子器件。 绝缘i - j 9 2 极晶体管( i g b t ) 是集大功率m o s f e t 管的电压激励和达林顿功率管的大电流、 低导通电阻特性为一体的功率器件。i g b t 的特点是高反压、高速度、低损耗丌关器件，它已 形成全系列产品。其工作电流由几安培提高到几百安培：工作电压从上百伏提高到上千伏以 上，正广泛应用于小体积、低噪声、高性能、低成本、工作环境恶劣、电网电压波动大的电 子设备、逆变器、不间断电源( u p s ) 、逆变电焊机以及电机调速的变频器中。i g b t 已从早期 的第一代发展到第二代、第三代以及目前正在研制中的第四代，从而使得i g b t 的综合技术 性能指标大为改进和提高。不仅如此。与i g b t 系列产品相配套的驱动、控制、保护集成在 南京工业土学硕士学位论文 一起的器件以及整流用的大电流、高速度器件也较为齐全，使采用i g b t 设计成的功率没备 产品，在生产时大为方便。i g b t 系列产品中，工作在大电流下的已模块化，也就是把一个或 多个的i g b t 器件集成为一个整体模块，构成l 单元、2 单元、6 单元和7 单元等的多种： 作在大电流下的i g b t 模块，均采用片状金属电极，并用螺栓与外导线压紧输出。第二代 i g b t 在饱和压降、短路电流埘量、热性能、封装尺寸，以及各剃动态特性等方面都需要进一 步加以改进，才能满足市场的需要。由于功率集成技术的发展，大面积：占片刻线更加精细， 加之新材料和新工艺的不断涌现，第三代i g b t 系列产品中已有智能化模块( i p m ) ，它的栅 极上集驱动( d r ) 、过流保护( o c t ) 、短路保护( s c t ) 、过压保护( u v t ) 和过热保护( o h t ) 。 等功能为一体，使i g b t 模块形成大功率的高可靠性的器件。第三代i g b t 已成熟应市，第 四代i g b t 也正在研制中。i g b t 在实际使用中，由于外部负载或装置发生短路故障时，会 使它自己本身的温度急剧升高造成永久性的损坏。通常i g b t 的过电流产生至该器件损坏这 段时问用“短路耐量”米表示，过电流越大，其“短路耐量”时问越短，第三代i g b t 的“短 路耐量”是从第二代的7 1 0 s 提高到1 5 1 x s 。 第三代i g b t 封装形式的改进使得其封装体积比第二代i g b t 缩小了约4 0 。例如 3 0 0 a 6 0 0 v 的i g b t ，第二代的体积为1 0 8 x 6 2 x 3 1m m 3 ；第三代为9 4 x 4 8 x 3 0 m m 3 。采用传热 好、热阻小的氮化铝基板以后，可以减小散热器的体积，或扩展i g b t 实际的工作电流【1 4 t 。 目前i g b t 在国际上从军事如导弹、航天、卫星等到民用的如汽车、电机驱动、焊机、 u p s 电源和通讯电源、家用电器等领域的应用已经较为广泛，器件制造及其应用技术也较为 成熟。目前一些国际上的半导体公司相继开发了第4 代、第5 代i g b t ，其特征主要表现在低 的通导电压、短的关断时间、低损耗、高频率，无闭锁等【1 5 1 。 由于i g b t 具有易驱动、低通导压降、较快开关速度等特性而倍受人们的青睐。美国、 日本等工业发达国家对其开发和研制都相当重视。美国的国际整流器、西德的西门子、e 1 本 的东芝、日立、三菱、富士等大公司都致力于开发和生产i g b t 。使i g h t 迅速向大功率化、 高频化、模块化发展。i g b t 在九十年代末的发展方向是提高其电压额定值，研究具有较高频 率和较低损耗的i g b t ，开发具有集成保护功能的智能i g b t 。 近来相继发表了一些关于i g b t 的导通电压和关断特征等综合性能得到大幅度改善的文 章。日立公司采用全自动校准技术使阴极部分的n + 区实现细微化，导通电压减小了1 3 闭锁 电流由以前的3 0 0 a c m 2 改善至1 1 0 0 a c m 2 。三菱电机公司引入阴极一发射极断路的方法，使 n 。漂移区内存储的电子由阳极短路部分排除到外部，缩短了关断时间，使在没有寿命控制的 情况下。关断时间由1 2 1 a s 减少到o 1 9 1 a s 。东芝、富士、西门子等公司也对其进行了大量研究。 目前国外开发出的第4 代、第5 代i g b t ，其研制水平达到1 2 0 0 a ，2 5 0 0 v ，生产水平为7 5 a ， 1 4 0 0 v 和4 0 0 a 、1 4 0 0 v 的模块。 九十年代以来有多篇高压3 5 4 5 k v 的i g b t 设计和制造方面的报道。目前国外各公司 摹l 幸绪论 相继推出了高压3 5 4 5 k v 的i g b t 模块的样品，这些高压大电流i g b t 的开发成功，将使 i g b t 的应用突破以往的中小功率的概念，而进入大功率的领域【1 3 1 。 在大功率电力电子器件应用中，i g b t 已取代g t r 或m o s f e t 成为主流。目前，由i g t b 单元构成的功率模块在智能化方面得到了迅速发展，智能功率模块( i p m ) 不仅包括基本组合 单元和驱动电路，还具有保护和报警功能。i g b t - i p m 模块适用变频器、直流调速系统、d c d c 变换器以及有源电力滤波器等。 众所周知，由于接入电力系统的非线性负载日益增多，致使电力系统的电流波形发生畸 变。严重影响电网供电质量及电气设备的正常安全运行。有源电力滤波器是一种用于动态抑 制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，它以实时检测为基础，通过p w m 信号控制i g b t 的导通，输出电流对畸变波形实时跟踪补偿，从而使电源侧的电流波形与电压波形一致1 1 6 。 由于i g b t 自身的优越性，使它在众多领域中得到了广泛的应用： ( 1 ) 开关电源：由于i g b t 具有开关速度快、快关时间短等优点。所以在- 丌关电源中用i g b t 作开关管，能减少功耗，提高其效率，并降低成本，缩小体积，减轻重量，作出物美 价廉的产品。 ( 2 ) 逆变器：由于i g b t 是压控器件，所需的驱动电流与驱动功率非常小，因此用它作逆 变器时，可直接与模拟或数字功能块相连接，不需加任何附加接口电路，而且转换效 率也大大提高 ( 3 ) 汽车自动电子点火器：传统的汽车发动机点火器是机械触点一俗称“白金”构成，这 种机械触点点火器在使用中往往需要调整“白金”问隙，并更换“白金”，故发动机不 易处在最佳状态，采用i o b t 电子点火器，电路简单，触电通过电流也很小能收到 省油、减少维修次数之功效。 ( 4 ) 激光电源：i g b t 应用于激光电源中，使大功率固体脉冲激光器在工业加工如焊接、打 孔、切割等领域应用时可以在恶劣的条件下工作：上万伏高压触发，工作时大电流冲 击可达几百安培，电路有时工作在完全短路状态下，有时工作在完全开路状态下，因 此对电源要求很苛刻。用i g b t 作逆交元件的开关电源，可使之正常工作而不发生故 障。 i g b t 还可以应用在各种控制电路和交流伺服系统中，目前开关频率在2 0 k h z 的电流型 逆变器一经闷世，由于它的频率高，电流和电压波形失真小，效率为9 5 ，用于u p s 的 i g b t 4 0 k v a 、6 5 k h z 逆变电源已经开发成功，与g t r 相比，它具有高效、低噪音等优点。 i g b t 等复合器件的问世，是分离功率半导体元件的一次革命性交革。由于其突出的优越 性，不仅在现有的功率电子应用中可以充分发挥其作用，而且将能扩大功率电子器件应用领 域，给功率电予领域注入新的动力1 1 3 l 。 南京工业土学硕士学位论文 ( 1 )变频器1 1 7 2 2 i 如在石化行业为了丌采含胶质沥青、含蜡和凝固点高的“三高”稠油，油阳通常采用蒸 气吞吐、化学降粘和热水射流伴送等方法进行丌采，这些方法存在投资高、不便管理等缺点 采用钢质空心抽油杆感应加热技术。该技术具有：所需设备简单，井下作业与维修方便：输 入功率可调；便于实现自动控制；沿程加热均匀，不会产生局部过热；热效率高( 在油管中 心发热) ；不怕停电停抽；延长作业周期；提高生产效率；对环境无污染；使用安全，管理方 便；一次性投资较少，资金回收快等特点。石油中频感应加热电源采用i g b t 作为逆变开关 器件，与常用的工频加热电源相比，体积缩小4 0 、重量减轻5 0 。 ( 2 )弧焊电源【2 3 t 5 1 i g b t 弧焊机采用电子装用集成模块对外特性和动特性进行闭环控制在2 0 k h z 下动态 相应迅速特有的恒流恒压控制方式使装置输出的电流电压在电网f 乜压波动1 0o 6 的情况 下维持在0 _ 3 ，电路可在1 l o o 之问连续调节，且在l 的额定电流就能引弧、维弧， 能耐受最大电流下短路，引弧容易，燃弧稳定挺度好且飞溅小，效率高达8 8 ，节l 乜4 0 以上。体积和重量仅为传统同容量焊机的l o ，尤其适合流动作业场合。由于实现了恒压 和恒流特性下直流焊机、脉冲焊机和电弧喷涂的多功能一体化，可以满足直流手工弧焊、精 密脉冲氩弧焊精密脉冲半自动气刨焊和碳弧气刨等多种黑色和有色金属的焊割刨工艺要求。 ( 3 )雷达发射机【2 8 】 雷达发射机的调制器一般有三种类型：软性开关调制器、刚性开关调制器和浮动板调制 器。某制导雷达系统中作用的4 0 0 h z 交流电源是将5 0 h z 市电经旋转式机组转换而来。早期 的逆变器是使用可控硅作为开关元件。开关频率低。逆变器整体输出波形差、体积大、效率 低，为克服这些缺点，选用开关频率高的i g b t 作为开关元件。采用i g b t 作为开关的调制 器具有效率高、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长等特点。可以相信，在雷达发射机调制 器这一领域中，i g b t 必将发挥更大的作用 ( 4 )机床i 乜力拖动i 拇3 0 l 绝缘门双极晶体管i g b t 具有开关频率高、饱和压降小、输入阻抗高，电压驱动等特点。 在调速系统中，采用由i g b t 组成的脉宽调制放大器作为直流电动机的电源，该系统称为 i g b t - p w m 直流调速系统在现代机床中，一般采用多电机拖动，主轴和各进给系统分别由各 自的电机来拖动，不仅简化了机床的机械传动机构，还可以使各拖动系统选择合适的速度进 行加工，从而提高加工精度。由于机床加工范围比较广，不同的工件，不同的工序，使用不 同的刀具，要求机床执行部件具有不同的运动速度，因此机床的主运动和进给运动应能够进 行速度调整。将该调速控制装置应用于普通铣床，在铣床工作台上进行调速铣削实验，结果 表明，该装置工作性能稳定，机械特性硬，在低速铣削时，稳定性和表面质量也令人满意。 弟i 章诸论 因而这种装置功广泛应f j 于普通铣床、镗床、磨床等要求无极变速的机床的工作台上。 ( 5 )表面处理p ” 传统的电晕表面处理设备的逆变电源采用可控硅作为功率开关元件，有可控硅作为开关 器件存在很多弊端：( a ) 由于可控硅的关断和开通时间较长，是逆变器的频率受到限制，2 k w 以上的设备中，频率均在1 3 k h z 以下，由此变压器体积大、成本高，电极制作也相应复杂； ( b ) 可控硅的关断方式为自然过零点关断输出波形不理想，使离子在电场中的加速作用减慢， 处理效果降低；( c ) 负载的变化对逆变电路工作影响很大，严重时能导致逆变失败。而绝缘门 双极晶体管i g b t 克服了可控硅的上述缺点，使之体积小重量轻效率高。该逆变电源工作频 率在2 5 3 3 k h z ，波形好，表面张力可达4 5 达因以上。与可控硅作为主功率器件的塑料表面 处理设备相比，处理效果极佳。该设备在电极上略加改动，可用于消毒或污水处理领域。 ( 6 ) 激光器电源 3 2 - 3 5 1 目前，激光器已广泛用于工业加工领域，如激光打标，激光切割激光调阻，激光热 处理、焊接、打孔、切割等在医疗领域，作为一种新型的诊断和治疗手段也正被全面推广。 以绝缘门双极晶体管( 简称i g b t ) 作为功率变换器件的低噪声高稳定度二氧化碳激光器 电源，采用i g b t 高频开关技术以后，激光电源的动态响应和闭环稳定工作范围明显提高， 波纹系数大大下降，使激光器输出功率波动小于l ，提高了激光器的光束品质，使激光器可 以应用在较高精度、需细微处理的场合。 i g b t 功率器件在激光电源中的应用大大提高了激光电源的性能，它能解决现有激光电源 的功率、电源稳定性等方面的不足之处。它能使激光应用到更广泛的领域中去，如：激光雕 刻、医疗、切割、焊接、美容等预计在不久的将来，i g b t 激光电源将逐步取代所有其他形 式的激光电源。 ( 7 )直流充电机【3 6 1 直流充电机是为直流电源以及汽车上使用的免维护铅酸蓄电池充电设计的，它将交流电 经过整流和用i g b t 调压达到电池所需要的充电电压，然后以恒压限流( 浮充) 的充电方式对 蓄电池进行充电( 若在蓄电池亏电较多的情况下，则系统自动转为定充方式，即以恒流限压 方式对蓄电池进行充电) 。具有驱动功率小，通断速度快，丌关损耗小，元件容量大等优点。 ( 8 )牵引变流器【3 n o 】 9 0 年代初，随着1 2 0 0 v 的i g b t 的成熟和批量生产，首次应用于铁路机车一德国法兰克 福r 型城市铁路低地板电力机车。预计i g b t 不仅仅年内在中小功率范围内可代替g t o ，而 且可发展用于更大功率的机动车。 还有一些新型的应用领域。如新型电源【4 1 - 4 4 1 、电机调速控制系统( 4 5 4 q 、c t 高频x 线机 南京工业土学硕士学位论文 1 4 7 1 等领域。 1 4 温度对i g b t 的影响 i g b t 以其优良的性能有着广阔的应用领域，而热特性也是其性能的组成部分，温度对之 有着重要的影响。 1 4 1 大功率电子模块的热特征 ( 1 )大功率电子模块热特性的确定【4 8 4 9 1 一般大功率电子模块的发热量是用以下方法测量的：在一定操作条件下使将元件稳定工 作，测量电子元件各个关键部分温度、散热器关键部分温度和环境温度，然后断掉电源，恢 复使用前状态后，将预先加工好的几何尺寸、形状等与电子元件相同的模拟直流加热装置安 装到散热器上。加热装置通直流电，缓慢加热。测量与上面相同测量点的温度情况，直到与 所测电子元件温度相同时停止加热。此时的模拟加热装置的功率就认为是电子元件在该操作 状态下的发热量。一般通过有效热阻来表示散热器性能，有效热阻定义为： 凡：堡 ( 1 1 ) 其中：r 一散热器热量输入面上最高温度点与冷媒质进口的平均温度之间的温度差，k 。 p 一加热装置的输入功率，w 。 通常大功率电子元件生产厂商都在说明书内详细说明产品使用温度范围，这个温度范围 就是指大功率模块的安全操作区( s a f eo p e r a t i o n a r e a ) ，一般为0 c 2 5 c 。但是在实际操作过 程中很难达到上面的要求。文献e 3 8 3 给出了测定大功率电子元件热特性的方法。 ( 2 ) 温度系数娜1 电阻的温度系数t c r 是表征电阻器电阻值稳定性的一个重要参数，反映了电阻值随温度 变化的特征。 t c r = i i 丽d r l ， ( 1 2 ) 表示温度变化i c 时。电阻的相对变化率，即表示单位温度电阻值的变化率与电阻值的 比率。由于上式存在微分关系，计算比较复杂。一般采用电阻的平均温度系数，它表示在一 定的温度范围内，温度每变化l 时，电阻值的平均相对变化。 苇1 幸绪语 t c r = 意南( )墨( 瓦一7 i ) 、o ， 其中墨、r 2 分别是巧、正时对应的电阻值。 ( 3 ) i g b t 的发热量【5 0 5 1 i ( 1 3 ) 图1 4 功率元件正常工作时的温度 f i g 1 4o p e r a t i n gt e m p e r a t u r eo f ap o w e rd e v i c e 不同厂家的i b g t 对于控制点的位置是不同的，一般在比较容易测量的边缘，而相应配 套的散热器也有指定相应的温度测量点。例如m g 6 0 0 q 1 u s 4 1 ( t o s h i b a si g b t ) ，在正常操作 时的连接点温度和散热器温度分别是1 0 5 c 和6 0 c ，并假设散热器的热阻是0 0 5 c w ，此时 的i g b t 发热量是5 3 0 w 。i g b t 的发热量主要是由于内部的能量损失造成的主要包括两部 分：传导损失和转换损失比如该i g b t 在正常工作状态下的电流为3 0 8 a ，传导损失是3 7 0 w ， 占总能量损失的7 0 。 i g b t 在使用过程中，温度的影响是很关键的，除此一些机械结构，焊缝的疲劳失效等因 素，对电子元件的影响也是很大的。 墨= 7 = + 瓦( 石( 王) + 五( 薯) + 。；( 墨) ) ( 1 4 ) 其中：下标j 表示连接点，a 表示环境。一般在产品的操作手册上都提供一个最高的操作 温度巧一，操作温度巧应该低于这个温度。石( 瓦) 、正( 亏) 和五 ) 分别对应图上的瓦。、瓦” 和点0 ，分别表示传导热损失、门电路关损失和门电路开损失。量。是i g b t 散热连接面与散 热器之间的接触点温度和环境温度之间的热阻。 1 4 2 温度对i g b t 性能的影响 目前，为了降低温度确保大功率电子元件的使用寿命，不得不放弃一些已经成熟的技术， 如电子集成技术，元件封装技术等，从而导致成本上升。也就是说，目前，由于大功率电子 元件的散热问题是制约其性能和成本的主要因素，即使一些很好的电子技术的应用也受到了 南未工主土学嘎士学性论文 限制。例如一种紧凑式的感应器p f c 就很难应用到1 g b t 模块中，因为这种感应器对温度 要求比较高，单独时使用也需要独立的散热器，而i g b t 模块本身的体积不大，封装到i g b t 模块中就更加难于将其操作温度降下来，这就大大地限制了i g b t 模块的使用。然而将多个 芯片集成到一个模块上，发挥其最大的功能是电子行业的发展趋势，这就要求开拓新的热设 计技术1 5 2 1 。 ( 1 ) 温度引起的热应力影响 温度变化还会影响i g b t 模块内部的热应力，模块内部热应力是影响模块可靠性的一个 重要因素。温度的循环变化可能使模块产生焊料层空洞、形成和扩大裂纹。i g b t 模块封装具 有一个不同材料组成的多层结构( s a n d w i c h ) ，由于各层材料不同，其热力学行为也不相同。 当模块工作在开关状态时，随着模块工作温度的变化，模块多层结构中各层材料的热失配将 导致热应力的产生，从而使模块焊料发生热蠕变