机车电力电子技术1

图2.46 PN结热击穿 效应示意图 图2.47 阳极平均电流与结温相互关系曲线 图2.48 开关特性与温度的关系曲线 2．结温与GTR特性的关系 3．结温与MOSFET特性的关系 2.9.1.2 散热原理

散热途径有热传导、热辐射和热对流三种方式。电力电子器件通过电流时产生的热量使管芯发热、结温升高。管芯发热后一般通过热 传导方式向周围散热。

1．稳态热路图与热阻

管芯内温度最高的部位在PN结上。热量从PN结通过管壳、散热器传至环境介质中。当管芯上每秒消耗功率产生的热量与每秒散发出去的热量相等时，管芯的温度就达到稳定状态，结温不再升高。根据器件内热量的传导过程可以画出等效热路图，以GTO为例的稳态等效热路图如图2.49所示。

图2.49 稳态等效热路图

热路图与电路图很相似。功率P相当于热流，与电流类似；温升ΔT与电压相似；热阻Rθ与电阻相似。功耗、温升和热阻之间的关系和欧姆定律相似。即

P=ΔT/Rθ （2.22）

式中 P——恒定耗散功率，W；

ΔT——两端温差，℃，ΔT=Tj－Ta；Tj、Ta分别代表结温和环境温度；

Rθ——结至环境介质的热阻，℃/ W。

器件散热时的总热阻Rθ由以下几部分组成：PN结至外壳的热阻Rθje、外壳至散热器的热阻Rθcs以及散热器至环境介质的热阻Rθsa，其中Rθje也称内热阻，其他两项称为外热阻。

器件总热阻Rθ为

Rθ=Rθje+Rθcs+Rθsa （2.23） 2．瞬态热路图和瞬态热阻抗

由于器件具有热容量，升温或降温都有一个瞬态过程，像支流电路中的瞬态过程一样，可以用瞬态热路图来分析。图2.50为恒定耗散功率作用下物体升温过程的示意图及其相应的瞬态热路图。

图2.50 恒定耗散功率下物体的升温过程 （a）升温过程示意图；（b）升温过程舜态热路图

由图可知，升温过程中，温升ΔT的变化规律可用指数曲线来描绘，其方程为 ΔT= TJM（1－e-t/T） （2.24） TJM=PRθ T=RθC

Z= RQ（1－e-t/T） （2.25） 瞬态热阻随通电的时间变化，常用曲线来表示，因此瞬态热阻抗又称热阻抗曲线。器件或散热器给出的曲线由实测法而得。

图2.51给出了电子器件用相对值r（tp）表示的热阻抗曲线。r（tp）可用下式表示： r（tp）=Z（tp，δ）/ Rθjc （2.26） 式中 Rθjc——器件的PN结至外壳的稳态热阻。

由图可知，热阻抗是起讲导通时间tp和负载功率占空比δ的函数。占空比δ定义为：

δ= tp /T

式中 T——器件的导通时间tp与关断时间toff之和。

也就是说，不同的功率导通脉宽和不同的占空比对应着不同的r（tp），进而有不同的热阻抗值。

在给定tp和δ可查得Z（tp，δ），于是可的出在峰值耗散功率PP时的温升为

TJM－TC=PP Z（tp，δ） （2.27） 式中 TJM——器件的最高运行结温；

TC——器件的壳温。

3．热阻和瞬态热阻抗的应用

电力电子自关断器件多使用于开关状态，其工作波形一般为方波，确定器件最高结温时必须考虑工作频率、负载电流占空比以及方波脉冲的宽度。具体示例如图2.52所示。

图2.52（a）为低频工作时的方波脉冲列，其工作频率为20Hz，脉冲宽度tp =10 ms，占空比δ=0.2，峰值功率为100 W，在这种条件下，结温的波形很大，设计者需要考核的是器件最高结温，而不是平均结温。这时要用瞬态热阻抗的概念，而不用热阻的概念。

图2.52（b）为高频工作时的方波脉冲列，占空比δ=0.2，峰值功率仍为100 W，但工作频率提高到200 Hz，脉冲宽度为1 ms，在这种情况下，结温的波动已大为减小，这是由于器件热惯性所致。如果工作频率增加到1kHz，占空比δ=0.2，结温的波动将更小，峰值结温几乎等于平均结温，这时用稳态热阻的概念即可，不必再用瞬态热阻抗的概念。由此可以看出，对方波脉冲列选用器件及散热器时，要注意工作频率、占空比的变化，并视具体情况而决定用热阻还是用瞬态热阻抗。

图2.52 方波脉冲列的温升

（a）低频工作时的方波脉冲列；（b）高频工作时的方波脉冲列

2.9.1.3 冷却措施

对器件的应用者来说，为了限制结温，可在减少热阻方面采用措施，即减少接触热阻Rθcs

和散热器热阻Rθsa。

1．接触热阻Rθcs

电力电子器件的正常运行，在很大程度上取决于器件与散热器之间的装配质量。散热器安装台面必须与电力电子器件很好接触，形成良好的导电面和导热面。由于电力电子器件质

量、使用条件、外形结构及品种不同，所以散热器的安装形式也各不相同。但是，电力电子器件管壳与散热器之间的温差和接触热阻Rθcs值，必须控制在规定数值以下。

（1）接触热阻与器件封装形式的关系 （2）接触热阻与安装力的关系

图2.53 接触热阻与锁紧力矩的关系曲线 2.54 接触热阻与平板式器件安装压力的关系曲线

2．散热器热阻Rθsa

散热器热阻是指从散热器至环境介质的热阻，它与散热器的材质、结构、表面颜色、安装位置以及环境冷却方式等因素有关。

图2.55 散热器的典型数据

图2.55给出常用散热器的形状及其相关参数对而阻的影响。其中图2.55（a）为散热器截面图；图2.55（b）为黑色表面散热器的长度L与热阻Rθsa的关系曲线；图2.55（c）为表面阳极氧化散热器的耗散功率P与温升ΔT在不同长度下的关系曲线；图2.55（d）为黑色时温升ΔT在不同长度下的关系曲线。由图可知，散热器长度增加，热阻Rθsa减少，但长度增加到一定程度，热阻Rθsa下降很小。散热器表面涂黑比表面阳极化处理后散热效果更好。

3．散热器的常用冷却方式