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MOSFET功率开关器件的散热计算
0??引??言
随着电力电子功率器件向高功率密度方向的发展,元件单位体积内的热量也相应增加。在大功率高频通信电源等设备中功率开关器件的电能损耗尤其突出,这部分消耗功率会转变为热量使功率器件管芯发热、结温升高,如果不能及时、有效地将此热量释放,就会影响到器件的工作性能,从而降低系统工作的可靠性,甚至损坏器件。因此热设计已成为电力电子产品设计的关键一环。热设计的效果也直接关系到电力电子设备能否长期正常、稳定地工作。在尽量通过优化设计等方式来减少功率开关发热量的同时,一般还需要通过散热器利用传导、对流、辐射的传热原理,将器件产生的热量快速释放到周围环境中去,以减少内部热累积,使元件工作温度降低。本文主要针对MOSFET功率开关器件的散热进行了讨论。
进行功率器件及功率模块散热计算的目的,就是在确定的散热条件下选择合适的散热器,以保证器件或模块安全、可靠地工作。散热器的设计必须顾及使用环境条件,以及元件允许的工作温度等多种参数。但是对散热器的传热分析目前国内外都还研究得很不够,工程应用中的设计大多是凭经验选取,并作相应的核校计算。
1??功率器件的功率损耗和散热器的耗散功率
[1,2,4]
????电力电子设备中的功率器件在工作时其自身也会消耗一定的电能,把单位时间内功率器件所消耗的电能称作为器件的功率损耗。器件的功率
消耗将导致其结温升高从而产生了散热冷却的要求;而散热器在单位时间内所散发出的热能量叫耗散功率。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,器件的温度也不会继续升高,即系统达到了热平衡状态。
在系统的热设计中正是根据能达到热平衡状态时的功率参数来确定散热器应当具备的相关参数
因此在设计过程中一般先根据相关数据手册和实际电路工作参数来计算出功率器件的功率损耗,然后以此作为依据计算散热器相关参数。
而功率器件的功率损耗一般包括器件的通态损耗、开关损耗、断态漏电流损耗及驱动损耗几个部分。
??功率器件的通态损耗
功率器件在周期性的开通、关断过程中处于开通状态时的功率损耗。当开关器件输出占空比为??的电流脉冲时,其平均通态损耗可以表示为:
功率以及在导通状态时维持一定的栅极电压、电流所消耗的功率称为开关器件的驱动损耗。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。
2??散热器的热阻设计
散热器热阻是进行散热器选择的唯一依据。在器件处于稳定工作时的发热率和其散热器散热率相P[3]
C=IDSUON??
(1)
式中,IDS为脉冲电流幅值;UON为开关器件通态压降;??为输出波形占空比。
在实际应用中,生产厂家在MOSFET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。因此通态PC损耗往往由公式(1)变形为下面的公式计算得到。
P2
C=IDSRDS??(2)式中,IDS为脉冲电流幅值;??为输出电流波形占空
比;RDS为功率开关器件的通态电阻。??功率器件的开关损耗
功率器件开关损耗包括了开通损耗和关断损耗。开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。因此产生较大的损耗,而且开关损耗的大小在很多情况