高等电力电子技术开关损耗.ppt

高等电力电子技术,AdvancedPowerElectronics,第9章电力电子器件的热设计,9.1,稳态热阻与瞬态热阻,耗散功率与结温,耗散器常用的冷却方式及特点,基本内容,9.2,9.3,正常情况下，电力电子器件的主要热源是半导体芯片内部。电能消耗产生的热量首先通过热传导转移到管壳和散热器上，然后经热传导、对流和热辐射等三种基本传导方式散发给空气、液体和固体等吸热介质。在这三种基本传导散热方式中，热辐射散失的热量很少，通常只占总散失热量的极少部分。在利用空气散热的自然冷却和风冷却方式中，对流是热量通过管壳或散热器向空气散发的主要方式。当用水或其它液体介质散热时，散热器壁与散热介质之间的热传导则成为主要的散热方式。,9.1稳态热阻与瞬态热阻,为了理解方便，人们常常用电学模拟的方法来描述热量的传输，将两点或区域间的温差类同于电压，单位时间通过散热面的热量类同于电流，两者的比值则被称作热阻。类似于电路的欧姆定律，热学中的欧姆定律可表示为：（9-1）式中为散热速率，单位是W，表示发热体单位时间内产生的热量，当温度稳定以后，此功率即等于器件功耗。热阻的单位为/W，它是一个与散热材料、散热方式、散热面积、安装方式等相关的物理参数，是反映散热体散热性能的一个综合参数。,9.1.1稳态热阻,热阻可用下式表示：（9-2）式中A为散热体的散热面积，单位是m2；h是散热系数，表示在稳定传热条件下，1m厚的材料，温差为1C，在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为W/(.m2)。,9.1.1稳态热阻,依据式（9-1），假设散热器的耗散功率为、环境温度为，则芯片到外界环境的总热阻可以表示为：（9-4）,9.1.1稳态热阻,在实际情况中常常把总热阻分为三个部分：第一部分是从管芯到管壳之间的结-壳热阻；第二部分是从管壳到散热器之间接触热阻；第三部分则是从散热器到环境之间的散热器热阻。,若考虑到从管壳到环境的直接热辐射作用，则总热阻可表示为式（9-6），相应的等效热网络如图9-2所示。,9.1.1稳态热阻,若忽略从管壳到环境的直接热辐射作用，总热阻可表示为式（9-5），相应的等效热网络如图9-1所示。（9-5）,当时，式(9-6)可简化为：，在实际情况中，这相当于未装散热器的小功率场合；当时，即发热器件安装有散热片、管壳向外界环境直接辐射散热的作用可以忽略时，式(9-6)可简化为(9-5)。,9.1.1稳态热阻,以上分析仅考虑了散热体单面散热的情况，如器件在实际应用中采用双面散热，可用并联电路来模拟分析，将器件阴极热阻与阳极热阻分别作为并联的两个分路进行考虑。若忽略管壳到环境的热辐射，则双面散热等效热网络如图9-3所示：,9.1.1稳态热阻,在组成总热阻的三项中：第一项结壳热阻是一个与器件所用材料几何形状及接触情况相关的参数，而且与器件制造工艺有关。结壳热阻还与器件应用条件有关，即与电流波形、导通角、工作频率等相关。第二项接触热阻与接触面积、散热器材料、表面粗糙度、接触压力等因素相关。接触面积越小、金属材料越硬、表面粗糙度和不平度越差、接触压力越小,接触热阻就越大。第三项散热器热阻与散热器材质、结构尺寸、表面状况、功耗元件的安装位置以及冷却介质的性质及状态等多种因素有关。,9.1.1稳态热阻,国家标准中瞬态热阻抗的定义为：在某一时间间隔末，两规定点（或区域）温差变化与引起这一温差变化的、在该时间间隔初始按阶跃函数变化的耗散功率之比。,9.1.2瞬态热阻,以上讨论的稳态热阻实际上反映了器件散热的稳态特性。,在脉冲宽度较短，占空比较低的情况下，峰值结温有可能远高于平均结温，成为器件工作特性的主要限制因素。这时，结温的高低不仅与器件的功率损耗有关，还在很大程度上取决于电流脉冲的形状、脉冲的宽度和重复频率，因而热阻的概念不再适用。,瞬态热阻抗就是为了计算开通、关断、浪涌等瞬态时的结温、功耗或负载能力而引入的。,瞬态热阻抗反映了散热体的热惯性在热量传递过程中对热阻的改变，因而与稳态热阻仍保持有一定的关系。即可用稳态热阻将瞬态热阻抗表示为：（9-9）式中，是一个与脉冲宽度及占空比有关的比例因子，本质上也就是以稳态热阻为1的归一化热阻抗。当式（9-9）中的占空比无限缩小时即向单脉冲条件逼近，而单脉冲条件下的曲线则反映了器件每消耗1W功率所引起的结温升随脉冲持续时间变化的情况。,9.1.2瞬态热阻,当脉冲持续时间足够长时的器件温升为，则脉冲持续时间为时的器件温升，按电量关系描述可写成：（9-10）式中，是器件的热时间常数（类似于电学的RC时间常数）；表示热容量（J/）。对于体积为，热容为，密度为的导热材料，定义其热容。,9.1.2瞬态热阻,为了便于分析，假设引起器件温升的脉冲功率是峰值为的矩形波，其温升随时间变化关系见图9-4。,将式（9-11）、（9-12）代人（9-10）即得：（9-13）与式（9-9）相比较，可知：（9-14）,9.1.2瞬态热阻,按照瞬态热阻抗的定义，器件的温升、功率损耗、瞬态热阻抗三者关系可写成：,（9-11）,而脉冲持续时间足够长时，器件温升可以表示为：,（9-12）,当较大时，瞬态热阻抗与单脉冲瞬态热阻抗之间有下列关系：,1）对于不能忽略或者说不是单脉冲条件下的瞬态脉冲，瞬态热阻抗则更加复杂，很难用具体的解析式来表达，器件生产厂家通常会以图9-5的形式给出几组典型的归一化瞬态热阻抗数据。,9.1.2瞬态热阻,需要注意的是：,图9-6表示了这种等效过程，此时等效矩形波的持续时间为：式中，是实际波形的幅值，也是等效波形的幅值；代表实际波形所满足的函数；T是实际波形的持续时间。,9.1.2瞬态热阻,2）瞬态热阻抗是以矩形的电流波形来定义的，而实际电流往往并不是矩形波，如果要应用瞬态热阻抗进行计算，就必须将实际电流波形等效为矩形波才能计算。,变换后，得到的温升往往高于实际温升，这是由加热时间集中所导致。,耗散功率与结温是影响功率器件安全运行的两个重要参数，设计者应对其在各种运行条件下的变化规律有充分的了解。散热设计的主要任务就是根据器件的功率损耗与热平衡条件计算出所需散热器的热阻，继而根据散热器的材料、形状、表面状况、冷却介质等设计和选择合适的散热器，以保证器件安全、可靠地工作。,9.2耗散功率与结温,器件的功率损耗是指器件在单位时间内消耗的能量，而耗散功率是散热器在单位时间内散失的能量。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，器件的温度保持恒定，即系统达到了热平衡状态。对于连续的功率脉冲，是指平均耗散功率与平均功率损耗相等。对矩形功率脉冲，其平均功率损耗为：,9.2.1开关器件的功率损耗,式中,是脉冲幅值；是脉冲宽度；是脉冲周期；是占空比。,对于任意波形的连续脉冲，可利用具有记录功能的数字示波器记录负载在特定温度下的一个完整开关周期中的瞬时电压u(t)和电流i(t)，然后利用图解积分法求出一个周期中的平均功率损耗Pd，即：实际器件中，通常包括通态损耗、开关损耗、断态漏电损耗以及门极损耗。,9.2.1开关器件的功率损耗,式中，是脉冲周期。,1.通态损耗通态损耗功率是器件在导通状态时的稳态损耗。当器件工作在低频条件（一般指其开关频率在数百赫兹以内）时，通态损耗是器件损耗中的主要组成部分。,9.2.1开关器件的功率损耗,功率器件在通过矩形连续电流脉冲时，其通态损耗一般用平均通态损耗进行描述，而平均通态损耗可用器件通态压降、电流脉冲的幅值及占空比表示成：,对于功率MOSFET,生产厂家在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。因此平均通态损耗可由下面的公式计算得到：式中，为漏极电流；为功率开关器件的通态电阻，并且是温度的函数，即式中，是在25时的额定值；是其温度系数。另外，获得器件通态平均功耗更简捷的方法是查看厂家提供的产品手册上的特性曲线。通过曲线，可以直接查到对应平均电流的通态平均功耗，给器件热设计带来极大方便。,9.2.1开关器件的功率损耗,2.开关损耗开关损耗包括开通损耗和关断损耗。一般而言，多数器件的关断时间远大于开通时间，即关断损耗在开关损耗中占主导地位，一次可将开通损耗忽略不计。由于开通、关断时的电压、电流波形较复杂，难以精确地对电压、电流瞬时值乘积的积分进行求解，因此常把开关时间间隔（关断时间或开通时间）内的电流和电压波形按下述方式进行线性近似处理，从而简化开关损耗的计算过程。,9.2.1开关器件的功率损耗,感性负载关断过程中的电流和电压波形图a）世纪感性负载波形图b）线性化感性负载波形图对感性负载，电流不可突变，故在整个关断期间，可近似认为电流保持不变，器件电压从零线性上升至。由此不难求取其感性负载时的关断损耗，即：式中，。和分别表示断态电压和最大电流；表示开关频率；表示关断时间。,9.2.1开关器件的功率损耗,对阻性负载，在时刻，电流从开始线性下降，并在时刻下降到零；器件电压在时刻从零线性上升，并在时刻上升到。由此不难求取其阻性负载时的关断损耗，即：另外，开通损耗的计算与关断损耗相似，只需将公式中换为即可。这样，由即求出器件的开关损耗。有些器件会在产品手册中给出单次开通及关断的损耗、和相关参数的关系曲线。从曲线图中查出特定电流对应的单次开关损耗后，即可利用以下两式计算出对应的开通损耗和关断损耗，即：,9.2.1开关器件的功率损耗,3.断态损耗断态损耗是指器件处于关断状态时，由于存在漏电流导致的损耗。通常可忽略不计，但是若断态电压很高，仍有可能产生较大的断态功率损耗。理论上，也应通过求解漏电流与阻断电压瞬时值乘积的积分得到。但断态损耗远小于通态损耗，因此一般可有下式初略估计，即:式中，是正向或反向峰值电压，为峰值电压对应的平均漏电流。,9.2.1开关器件的功率损耗,4.门极损耗门极损耗指器件开关过程中消耗在晶闸管门极、晶体管基极、或IGBT栅极等上的功率。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。这是因为：GTO关断大电流所需的控制极关断电流较大；而GTR正向电流增益较小，当集电极电流较大时，基极电流也较大，且基极-发射极饱和压降往往远大于集电极-发射极饱和压降，因此，当GTR和GTO在通态电流较大时门极损耗较大，门极损耗可按下式计算。即：,9.2.1开关器件的功率损耗,在VVVF变频器中，由于采用PWM控制以输出正弦波电流，因而流经其主电路功率器件（如IGBT等）的电流及占空比不断变化，从而给VVVF变频器中功率器件耗散功率的估算增加了难度。下面以VVVF变脾气三相逆变桥为例，讨论其中功率器件的耗散功率估算问题。,9.2.2VVVF变频器中功率器件损耗功率的分析,（VVVF）变频器主电路和输出电流波形,1.功率开关的通态和开关功耗在VVVF变频器主电路中，每一个功率开关的通态功耗为式中，为正弦波输出电流的峰值：为且集电极电流等于时的开关管饱和压降（当采用IGBT时）；D为PWM波形占空比（调制深度）；为输出电压与电流直接的相位角（功率因数=）。而每一个功率开关的开关损耗可计算得式中，为变频器每桥臂的PWM开关频率；为且集电极电流为时的每个脉冲对应的开通能量（当采用IGT时）；为且集电极电流为时的每个脉冲对应的关断能量（当采用IGT时）。,9.2.2VVVF变频器中功率器件损耗功率的分析,2.续流二极管损耗,在VVVF变频器主电路中，逆变桥中每一个续流二极管的通态损耗可计算得,而每一个续流二极管的反向恢复损耗可计算得,式中，为情况下，续流二极管的正向电压降；为续流二极管反向恢复峰值电路；为续流二极管反向恢复时间；为续流二极管最大反向恢复电压。,9.2.2VVVF变频器中功率器件损耗功率的分析,3.每一个桥臂的耗散功率在VVVF变频器主电路中，逆变桥中的每一个桥臂的耗散功率为上述各类损耗之和，即由此，可以方便地计算出VVVF变频器逆变桥的功率器件的耗散功率。,9.2.2VVVF变频器中功率器件损耗功率的分析,9.2.3结温,以图9-10(a)所示的散热系统为例，忽略管壳与环境之间的热阻后，其等效热网络如图9-10(b)所示。,a）常见散热系统结构b）等效热路图9-10散热系统结构与等效热路,下面给出不同形式功耗下的结温计算方法,一.稳态功耗下的结温计算,对于稳定的器件功耗,结温为：式中，为壳温，由散热器热阻、接触热阻与环境温度共同决定。,9.2.3结温,对于幅值为的矩形脉冲功耗，结温是时间的函数，随时间变化，变化情况与脉冲的幅值、频率、占空比等参数有关，但结温的最大值必定出现在功率脉冲的下降沿。1.对于单脉冲结温自初始温度按指数规律上升，在功率脉冲下降沿时刻达到最大值，然后再按指数规律下降，经足够长的时间后恢复至初始温度。,9.2.3结温,上升阶段,下降阶段,式中，是整个散热系统的热时间常数，其大小与散热系统的热惯性有关，系统热惯性越大，时间常数越大。若功率脉冲出现时刻的原始功耗为零，则即为环境温度。,二.矩形脉冲功耗下的结温计算,2.对于连续脉冲可分为两种情况：,（2）当时间间隔不足，结温恢复到起始温度以前下一个脉冲即到来时，其结温变化情况如图所示:在开始阶段，器件产生的热量大于散失的热量，后加脉冲所产生的结温升的起点温度与脉冲下降沿所对应的峰值结温逐渐升高。同时，器件热量散失的速率逐渐加大。最终，当热量的产生与散失达到动态平衡时，结温进入周期性的等幅波动状态，此时，脉冲周期所对应的起点温度和终点温度相同。,9.2.3结温,2.对于连续脉冲可分为两种情况：（1）当连续脉冲的间隔时间足够长，在结温恢复到起始温度以后下一个脉冲才到来时，其结温变化情况与单脉冲相同。如图所示。,9.2.3结温,例9.1若某个开关器件的通态和开通、关断过程全部功耗P为500W，其结-壳之间的热阻,壳-散热器之间的热阻环境最高温度为55C，要求开关器件结温不超过120C，请选择一个合适的散热器。解：令结温为120C，结-壳之间的温度差，故壳温为120-30=90C，壳-散热器之间的温度差故散热器温度为90-15=75C；若环境温度为55C，则要求散热器与环境温度的温差不大于75-55=20C，因此，要求散热器与环境空气之间的热阻根据要求值=0.04K/W，即可由散热器产品目录选用合适的散热器，其热阻应小于或等于0.04K/W，即可保证在环境温度55C，开关管功率不超过500W时，开关管PN结温不超过120C。,9.2.3结温,9.3散热器的常用冷却方式及特点,电力半导体器件的散热方式，按散热器的特点主要分为自冷、风冷、水冷等几种冷却方式。每种冷却方式都包含着2种或3种物理学上的散热模式（辐射、对流、传导）。,9.3散热器的常用冷却方式及特点,1.自然空气对流冷却自然空气对流冷却简称自冷，其散热结构简单，利用散热器表面直接向周围环境辐射散热，无需其他辅助手段。使用此方式的散热器时无噪声，维护方便。但散热效率差，散发单位功率所需体积大。,9.3散热器的常用冷却方式及特点,2.强迫空气冷却强迫空气冷却简称风冷，与自冷相比，风冷散发单位功率所需体积小。风冷方式散热器需要风机，噪声大，维护量也大，需要设计风道，装置结构相对复杂。风冷散热方法对风速有要求，散热器的热阻及流阻均随风速变化。所谓流阻，对风冷散热器就是在风道中，散热器两侧规定点的压力差。,9.3散热器的常用冷却方式及特点,3.循环水冷却循环水冷却方法的特点是耗散单位功率的散热器体积小、噪声小。但冷却系统需要水处理和循环设备，造价、系统体积和维护量较大。水冷散热器在运行中要注意防漏、防堵塞、防凝露。凝露一般发生在湿热季节，空气相对湿度高，当冷却表面的温度低于露点时就会出现凝露，引起器件绝缘的破坏。凝露现象的产生与环境相对湿度、环境温度及散热器冷却表面温度有关。,9.3散热器的常用冷却方式及特点,4.流水冷却流水冷却的冷却效果与循环水冷却基本相似，不同点是不需要水处理及循环设备。流水冷却虽然设备简单、投资低，但其绝缘性差，耐压低，冷却水消耗量大，易产生凝露、水路堵塞、锈蚀，降低器件及系统设备的使用寿命。一般不推荐使用。,9.3散热器的常用冷却方式及特点,5.循环油冷却与循环水冷却类似，不过散热介质用油代替水。与水冷系统相比，在低温环境中，冷却介质不易冻结，不需要水处理设备。但它的冷却效果比水冷差。6.油浸自冷却与循环油冷却相比，油浸自冷却不需要循环设备，但冷却效果不如循环油冷却。用于电力电子设备容量不大、要求绝缘较高而其他几种冷却方式都不适宜的特殊场合。,9.3散热器的常用冷却方式及特点,7.沸腾冷却沸腾冷却却是利用液体蒸发吸热原理来进行冷却的一种散热方式。在液体汽化过程中会吸收大量的热量，所以沸腾冷却方式冷却效率很高。应用沸腾冷却方式时，常采用热管散热器作为电力半导体器件的散热设备，它是以水或其他传热流体为冷媒，密封在特制的铜管内的沸腾冷却散热器。按其冷却方式也可分为自冷与风冷。,9.3散热器的常用冷却方式及特点,图9-15热管散热器主要结构,9.3散热器的常用冷却方式及特点,例9.2图9-16a)和图9-16b)分别是某种型号的快恢复二极管在25和150时的反向恢复电荷量随及其关断时的变化率的