變頻控制器的散熱應(yīng)用研究

楊 帆，范立榮

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070）

0 引 言

在變頻領(lǐng)域，控制器是不可缺少的重要組成部分，隨著國家標(biāo)準(zhǔn)的提高，控制對(duì)象的復(fù)雜，人們對(duì)安全的重視，要求控制器滿足的性能指標(biāo)也越來越多。

變頻控制器主要包含整流和逆變兩部分，在實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程時(shí)，不可避免地使用很多發(fā)熱元件。本文簡單陳述傳統(tǒng)散熱處理方案（以結(jié)構(gòu)人員進(jìn)行散熱處理為主），包含散熱器設(shè)計(jì)、冷卻方法設(shè)計(jì)兩方面。但隨著功率等級(jí)的提高，簡單的結(jié)構(gòu)處理已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)要求，越來越多功率元件的應(yīng)用反而成為控制器設(shè)計(jì)人員和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員棘手的事情。在此基礎(chǔ)上，需要針對(duì)控制器方案進(jìn)行優(yōu)化，在拓?fù)?、元件材料以及散熱方式上給出新的方案。

1 功率器件散熱影響因素

功率管是電路中最容易受到損壞的器件，損壞的原因大部分是由于半導(dǎo)體的實(shí)際耗散功率超過了額定值［1］。一般而言，物體間的溫差越大，溫度高的物體向低的物體傳遞熱量越多。根據(jù)熱傳輸?shù)南嚓P(guān)理論，得到如下公式：

式中，Tj為半導(dǎo)體節(jié)溫；Ta為環(huán)境溫度；PCM為半導(dǎo)體損耗；RT為等效熱阻

從式（1）可以看出，若Ta一定（以25℃為基準(zhǔn)）條件下，則管子等效熱阻RT越小，管耗PCM越小，電路就可以工作在更大的功率，保證Tj可以控制在元器件要求范圍內(nèi)。

下面從管耗、半導(dǎo)體散熱途徑和熱阻、外環(huán)境因素等方面分析元件散熱。

管耗PCM作為熱源，其發(fā)熱量越小，相應(yīng)的散熱條件要求越低，因此努力減小功率元件發(fā)熱量就從源頭上減輕了散熱的難度。另外一個(gè)重要的影響因素就是散熱路徑上的熱阻，熱阻的大小對(duì)于散熱至關(guān)重要。如圖1所示，半導(dǎo)體熱量按照圖中虛線箭頭方向傳導(dǎo)，每一部分的熱阻都會(huì)影響散熱。

從管芯到環(huán)境之間有兩條散熱途徑：管芯（J）到外殼（C－Case），通過外殼直接向環(huán)境（A）散熱，其熱阻大小為：

式中，Rjc為結(jié)到外殼的熱阻；Rca為外殼到環(huán)境的熱阻。或通過散熱器（S）向環(huán)境散熱，其熱阻大小為：

圖1 半導(dǎo)體散熱的示意圖

式中，Rcs為外殼到散熱器的熱阻；Rsa為散熱器到環(huán)境的熱阻。

總熱阻為式（2）和式（3）兩者并行作用，因此減小路徑中每一處的熱阻對(duì)于散熱都會(huì)起到很大幫助。

最后一個(gè)影響因素就是外環(huán)境。假設(shè)外環(huán)境溫度恒定，在有風(fēng)道設(shè)計(jì)和自然散熱條件下，功率器件的冷卻效果截然不同。圖2為一塊散熱器在不同條件下熱阻的對(duì)比圖，顯而易見的是，風(fēng)道的設(shè)計(jì)更有利于散熱［2］。

圖2 不同外環(huán)境熱阻對(duì)比

2 傳統(tǒng)散熱處理方式

2.1 散熱器的選擇

線性電源芯片、PFC模塊、IPM模塊等元器件自身發(fā)熱比較嚴(yán)重，通過模塊自身的自然散熱已經(jīng)無法滿足半導(dǎo)體工作要求，需要增加散熱器來輔助散熱。因此散熱器設(shè)計(jì)的好壞直接影響元器件散熱是否良好。

散熱器主要依靠與空氣對(duì)流來散熱，有各種形狀、尺寸供不同器件安裝和不同功耗的器件選用，圖3所示為線性電源使用的散熱器，圖4為功率模塊使用的散熱器。散熱器的散熱效果主要由下幾個(gè)方面決定。

圖3 線性元件散熱器

圖4 功率模塊散熱器

2.1.1 型材的選擇

從材料的導(dǎo)熱性能來看，銀最好、銅、金次之、然后是鋁。金、銀的價(jià)格相對(duì)昂貴，不適宜大量使用。銅的導(dǎo)熱性比鋁好，但是銅比鋁質(zhì)量大一倍而且加工成形差，只能制作成簡單的形狀。鋁的導(dǎo)熱性良好、重量輕、比銅便宜而且耐腐蝕、利用加工設(shè)備可以制成各種復(fù)雜的形狀，能滿足電子電力行業(yè)對(duì)散熱器的諸多要求，因此被認(rèn)為是制作散熱器的最佳材料。但是對(duì)于體積狹小、價(jià)格不作過多要求的場合，其他導(dǎo)熱性能好的材料往往成為首選。

2.1.2 散熱器的表面顏色

通常散熱器的表面顏色制成銀白色、黑色，在自然散熱的條件下，黑色的熱輻射能力強(qiáng)，散熱效果好，而在強(qiáng)制風(fēng)冷或其他條件下，顏色對(duì)散熱性能沒有影響。

2.1.3 翅片及相關(guān)參數(shù)的影響

熱阻隨著翅片間距，翅片／基板長度和翅片／基板寬度的變化而大范圍波動(dòng)，翅片間距的增大將導(dǎo)致翅片總數(shù)目的減少，即減少熱對(duì)流的總面積，減小翅片間距將影響相鄰翅片間的空氣流動(dòng)，增加翅片厚度可以減少翅片總數(shù)目和散熱器的尺寸，導(dǎo)致熱阻的增大，如圖5所示。從上面的表述來看，尺寸之間是矛盾的，結(jié)構(gòu)人員要根據(jù)元器件功耗設(shè)計(jì)出一個(gè)最佳尺寸圖，而且還需要針對(duì)具體的應(yīng)用空間設(shè)計(jì)最佳的安裝形狀。

圖5 散熱器結(jié)構(gòu)圖

2.2 冷卻方法的選擇

從圖6中可以看出，在不同的冷卻方式下，同等損耗的散熱器溫升效果不同，因此對(duì)于有條件的場合可以選擇最佳的冷卻方式。從圖7中可以看出，流體速度也會(huì)有很大影響。

3 控制器新型散熱方式優(yōu)化

盡管上面列出來很多有利于散熱設(shè)計(jì)的方法，但是隨著控制器體積、美觀、可靠性等要求不斷提高，在一定程度上仍然無法滿足散熱要求，因此需要從其他方面尋找突破口。

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化

3.1.1 電路拓?fù)鋬?yōu)化

圖6 冷卻方式的溫升對(duì)比

圖7 熱阻與空氣流速關(guān)系

在變頻控制器電路中，PFC（功率因數(shù)校正）電路的使用越來越多，包括有橋PFC拓?fù)洹o橋PFC拓?fù)洌?］（圖8），最近一種新的拓?fù)洹诲e(cuò)式 PFC 拓?fù)洌?］更多地被應(yīng)用（圖9），其優(yōu)點(diǎn)之一就是降低元器件損耗。

圖8 無橋PFC拓?fù)?/p>

圖9 交錯(cuò)式PFC拓?fù)?/p>

簡單分析，假設(shè)電源AC流過的電流為I，周期為一個(gè)電源周期，無橋和交錯(cuò)式拓?fù)溟_關(guān)管和二極管特性完全相同，電阻為R。無橋PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體損耗為：

交錯(cuò)式PFC的半導(dǎo)體損耗為：

且Pw／Pj＝6／5，交錯(cuò)式可以降低1／6的損耗，由于交錯(cuò)式電路后端電流降低一半，對(duì)應(yīng)元件價(jià)格降低，更好選型，體積也小很多。另外，交錯(cuò)式拓?fù)涫褂玫脑谏崞魃系呐挪几稚?，所以熱處理相?duì)更容易。

3.1.2 輔助電路拓?fù)鋬?yōu)化

在IGBT構(gòu)成的大功率高頻電路中，由于電路中存在一定的雜散電感和電容，關(guān)斷時(shí)主電路的電流急劇變化，雜散電感上會(huì)誘發(fā)較高的電壓沖擊，使IGBT在關(guān)斷瞬間承受很大的浪涌電壓。另外，與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管反向恢復(fù)時(shí)兩端電壓異常升高，也會(huì)產(chǎn)生與關(guān)斷相似的浪涌電壓。關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管恢復(fù)浪涌電壓的存在，會(huì)影響IGBT的正常工作，導(dǎo)致開關(guān)損耗加大、使IGBT過熱，嚴(yán)重時(shí)甚至造成IGBT損壞。

如圖10所示，采用RCD電路吸收浪涌和噪聲，將這部分能量消耗在電阻R上面，從而避免積聚在開關(guān)管上面，引起開關(guān)管過熱損壞。

圖10 RCD吸收電路

3.2 散熱方式優(yōu)化

空調(diào)機(jī)組，以往通常采用自然冷卻或風(fēng)冷，其效果如圖6所示，但在實(shí)際驗(yàn)證中仍然不能滿足大功率機(jī)組要求。近幾年發(fā)展起來的冷媒冷卻技術(shù)很好地解決了這個(gè)問題，同時(shí)散熱器的尺寸僅為風(fēng)冷的1／5左右，提高散熱效果的同時(shí)，也大大節(jié)省了空間（圖11）。

冷媒冷卻技術(shù)是熱管技術(shù)的一種變相應(yīng)用，相對(duì)于熱管技術(shù)而言，冷媒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更簡單，僅僅讓冷媒管通過散熱器，并沒有對(duì)冷媒管和散熱器片做特殊處理，圖12為熱管技術(shù)應(yīng)用的散熱器。

3.3 元件性能優(yōu)化

隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷突破，元器件損耗也越來越小，近幾年剛剛興起的SiC技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到變頻器上。SiC物料優(yōu)秀的反向恢復(fù)特性，不僅可以提高開關(guān)特性，而且在能量損耗方面也有突出的優(yōu)勢。

圖11 冷媒散熱結(jié)構(gòu)圖

圖12 熱管散熱器

從圖13可以看出，SiC物料的反向恢復(fù)時(shí)間極短（粗黑線），在底部形成的包絡(luò)面積更小，因此對(duì)應(yīng)的損耗也會(huì)大大降低。

圖13 SiC半導(dǎo)體反向恢復(fù)電流曲線

3.4 PCB散熱處理

對(duì)于主板上的元器件來講，PCB板自身也是一個(gè)很好的“散熱器”，這一點(diǎn)往往被大家遺忘。因此，一個(gè)好的PCB板設(shè)計(jì)，一定是包含熱設(shè)計(jì)在內(nèi)的。PCB板散熱方案如下：

圖14 PCB板元件排布

（1）加大走線銅箔或者大面積鋪銅；

（2）發(fā)熱元件分散排布（發(fā)熱元件放置在主板底部位置為最佳）；

（3）發(fā)熱元件緊貼PCB安裝；

（4）走線漏銅箔并補(bǔ)焊加錫；

（5）發(fā)熱元件放置在進(jìn)風(fēng)口位置如圖14。

4 電器組件新型散熱方式設(shè)計(jì)

電器組件可靠性與散熱密切相關(guān)。由于電器組件散熱的要求而導(dǎo)致電器組件無法密封，從而使灰塵、鹽霧、雨水侵蝕電器部件，大大降低電器組件可靠性，在一些對(duì)防護(hù)等級(jí)要求高的應(yīng)用中，還不能使用風(fēng)冷設(shè)計(jì)，大大增加了電器組件設(shè)計(jì)難度。

目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了無風(fēng)扇電器組件設(shè)計(jì)，不再使用風(fēng)冷設(shè)計(jì)，散熱器采用自然散熱處理方式，從而提高電器組件可靠性，降低維護(hù)成本。其通常采用銅鋁復(fù)合、熱管、均溫板等強(qiáng)化方式減小熱阻，提升散熱器散熱能力。

電器組件內(nèi)部采用擾流風(fēng)扇來改善內(nèi)部熱點(diǎn)和提升腔體散熱能力，擾流風(fēng)扇處于腔體內(nèi)部，不存在防護(hù)問題，即使失效，對(duì)整體散熱能力和功率影響不大。

5 結(jié) 論

總體來說，隨著功率等級(jí)、生產(chǎn)效率和客戶審美要求的提高，對(duì)功率元件的散熱要求也越來越高，新技術(shù)和新物料的應(yīng)用，使這些難題逐個(gè)突破。目前正在使用的熱仿真技術(shù)也大放光彩，為熱設(shè)計(jì)提供了一條更好的模擬通道。相信在以后的熱設(shè)計(jì)中，科技人員能夠在提高效率的同時(shí)，設(shè)計(jì)出客戶更滿意的產(chǎn)品。

［1］ 袁立強(qiáng)，趙爭鳴.電力半導(dǎo)體器件原理與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］ 游 斌，馬麗華.空調(diào)室外機(jī)熱氣流分析與優(yōu)化研究［J］.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，（04）：35－38.

［3］ 孫豐濤，楊 帆.單相大功率無橋有源PFC在變頻空調(diào)中的應(yīng)用［J］日用電器，2013，（07）：12－15.

［4］ 范立榮，孫豐濤，李 輝.基于單相交錯(cuò)式并聯(lián)PFC的Saber仿真應(yīng)用研究［J］.通信電源技術(shù)，2014，（01）：56－58.