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叠层母线排的热管理

时间:2022-01-12 作者:罗杰斯公司先进电子解决方案事业部 阅读:
热管理是所有电气系统的一个重要设计要素,这是因为热管理直接关系到系统的长期可靠性和寿命。

温度对电气系统/母线排寿命的影响

热管理是所有电气系统的一个重要设计要素,这是因为热管理直接关系到系统的长期可靠性和寿命。

若电气系统过热,则主要部件将开始失效,造成系统瞬间发生故障。例如由局部过热、冷却不足或过载造成的IGBT芯片过热可能造成半导体直接损坏。

从长远来看,材料分解与温度过高有关,会在某时失效。材料易于变脆,这是因为高温会加速材料的交联,因而失去典型塑料材料的全部柔韧性。高性能母线排使用额定温度为105℃的PET(聚酯)绝缘材料,对于典型牵引应用,它的使用寿命较长(在80℃的温度下,可使用25年)。对于超长寿命或高温应用,则采用 Thermal 130℃绝缘材料(在100℃的温度下,可使用40年)。

尽管在逆变器的整个寿命期间,母线排的性能通常优于逆变器的所有其它部件,但是在长寿命期间,绝缘材料变脆/开裂是最常见的故障,具体取决于工作条件,这种故障可能造成电击穿和系统失效。

为了评估母线排的使用寿命,重要的是要了解使用要求在工作期间每种温度所占时间的比例。仅了解最高温度不能准确确定母线排的寿命。

最高热点温度是环境温度和部件受热的共同结果。

在本文中,我们将描述说明部件受热或“热管理”情况。

热阻Rt的温度影响

为了系统的长期可靠性,必须优化所产生的热Ploss(电损耗)对系统热点温度的影响。热点温度可能被称为ΔT(或?T)。正确的热管理设计旨在尽量降低ΔT的数值,从而使系统寿命最大化。

装置外表面积A的每单位面积所产生的热量或损耗Ploss与由此造成的温升(ΔT)之间的关系用总热变电阻Rt表示。

Ploss/A = Q热通量

Rt也是从“系统内”发热到“外部世界”的所有绝热层之和。

Q= △T/ Rt

热通量Q类似于系统中的电流I;在电阻Re上,电流I会产生的一个电压降V = V1-V2。

热当量:热通量Q会在热变电阻Rt上产生一个温度差T = T1-T2。

对于给定的热通量Q,热变电阻越高,ΔT越高,因此热点温度越高。

从材料到环境的热变电阻通常有三种典型传热方式:

1、在材料内部:传导(Rcond)

2、从表面到环境:对流(Rconv)和辐射(Rrad)

热传导

系统内的热变电阻Rth(传导)与到装置表面的平均距离d成比例,是热导率K(W/mK)和表面积A的反函数。

Rcond= d/K.A;

对于母线排,在整个导体主体上产生热量,然后热量传导到表面上。距离d是整个母线排上到每个发热点(= 载流导体的每一段)的综合距离。

表面积A或热导率K越高,导热阻力Rcond越低。

金属有一个很高的导热系数K:铜:370W/mk;铝:230W/mK。

这意味着,母线排内部的温升不但很低,而且还在母线排上恰当分布,降低了热点的影响。

在该计算模型中,在最大母线排使用厚度(单位:mm)条件下,在四种不同材料上计算了母线排外表面典型热通量3W/ dm²(ΔT 30℃;h 10W/m²K)的温降。

导体的温降非常低(<0.01℃);绝缘材料的最大温降是0.66W,DM1的最大温降是2.25W。

例如,Primapack IGBT内的一个小母线排+端子中的电流分布具有超高的局部电流密度(40A/mm²- 典型值:5A/mm²),会使整体受热更均匀(+89℃)。

结论:母线排内的热传导

因为功率密度(损耗)很低,且导体有很高的热传导性,所以热传导Rcond不能决定总热变电阻Rthe。

在外表面上:对流和辐射

热量到达外冷却面A之后,立即通过对流通量Qconv和辐射通量Qrad,经由外冷却面A,从物体上排出。

为了尽量减少温升,不但要有很低的热变电阻Rt,物体的外冷却面积A也应尽可能大。

在任何电气部件中,总外冷却面积应尽可能大,以保证良好的排热效果。ROLINX®母线排采用扁平薄片结构,因此对于它的体积来说,它的总表面积非常大,因此ROLINX®母线排在这方面具有很大优势,还可以进一步优化ROLINX®母线排,使外冷却面积A尽可能大。

对于IGBT模块,热损耗是从另一个角度(KW范围)来看的,冷却面积是固定的,不属于设计参数。仅Rt可能受冷却方式和散热片设计的影响,以便以所需的系统寿命适应所增加的损耗。

 

中型母线排的散热量在50W的范围内,而IGBT/SiC芯片产生的损耗在1到5kW之间,所以需要不同的冷却方式。因此,最佳冷却方式与总散热量和允许温升有直接关系。

能够以典型热通量Q(所消除的热量P(W)除以表面积A(dm²)得到的结果)影响外表面的典型冷却方式包括:

1、自然对流:损耗Q在 5W/dm²的范围内(外表面):手机等大部分装置;取决于装置的允许温升。

2、强制空气冷却:损耗在50W/dm²的范围内:带有强制空气冷却器的散热片,或投影机。

3、强制水冷:损耗达到 5kW/dm²;IGBT/ 碳化硅模块。

母线排自然冷却的一个典型示例是:从母线排到环境的热通量非常低,散热可以通过自然对流消除。总传导损耗在10-100W(由大小决定)的范围内。

对于最大温升30℃,当最小传热系数h是20W/m²K(向两个外表面传热)时,平均散热6W/dm²是被允许的;25x 40cm²母线排易于通过自然空气冷却实现60W的散热。母线排的设计通常假设仅有自然空气冷却这一种冷却方式。

对于自然冷却来说,热传递对定位非常敏感,这是因为自然对流有赖于由装置的几何形状产生的自然空气流通;水平底部的冷却效率较低。

水平母线排定位与垂直定位会产生不同的自然对流效果。在所示的功率密度为 8.5W/dm²的母线排设置中(双面的功率密度比额定值高6W/dm²),水平定位和垂直定位的温升分别是42℃和37℃,相应的总传热系数(双面)分别是20W/m²K 和24W/m²K。垂直定位会使总传热系数增加20%。该传热系数也包含辐射。

 图1:水平母线排

图2:垂直母线排

图3:温升42℃

图4:温升37℃

强制对流(通过电扇)可以显著提高冷却/排热效果,使系数从5增加到10,这与增加的传热系数h(50 - 100W/m²K)对应,且与自然冷却相比,使电流增加2到3倍。

在一个典型逆变器系统中,一些强制空气通常在power stack组件周围冷却,产生一些额外冷却效果,排除许多热量,并形成额外的工作温度裕度。

由于IGBT/碳化硅模块内部的功率损耗密度非常高,所以必须采用强制水冷方式。开关模块的额定功率与最高芯片温度直接相关:对于硅,通常是125℃;对于碳化硅,通常是175℃。

Rt越低,能够转换的电流和功率越高。允许Ploss直接与Rt成反比:对于芯片的相同最高温度Tj,使Rt减半意味着使允许损耗增加一倍。

若对于某些大功率逆变器系统/应用来说,水冷系统过于复杂(维护/成本),且模块采用空冷方式,则传输的功率会下降到额定功率的40%。强制空冷散热片的热变电阻Rtha明显高于水冷散热片的热变电阻Rthw。

辐射

辐射通常与太阳有关,含有热量(长波,或红外线)的可见光(短波)通过真空辐射到地球上。

 

黑色表面可以吸热(高吸收率:0.9),而白色和光亮表面可以反射短波(低吸收率:0.25)。

碰到地球后,这些波立即反射到周围环境中,通过长波辐射(所述的红外波或辐射)将热量散布到温度较低的表面上。

室内供暖用“散热器”是最常见的长波辐射发热器,在这种应用中,热量不但通过对流传递,还主要通过辐射传递。在寒冷月份期间一些露台上使用的户外红外加热器中,更易于理解这一点。

而且,根据Boltzman法律规定,当温度较低时,在具有温差的物体之间会发生辐射。根据该项法律规定,热辐射与温度的第四功率值成比例。

对于长波辐射,白色表面和黑色表面的辐射率ε基本没有差异(ε的数值范围:0.9 - 0.95)。金属基本不辐射任何热量(铝、铜:ε在0.04的范围内)。因此,当使用红外测温摄像头时,因为这种摄像头不能捕捉物体发出的红外辐射,所以不能恰当测量裸导体的温度。

通过自然对流测量裸导体的温升时,将导体涂成黑色。从理论上来说,黑色的辐射率ε最高(0.95)。

 图5:用于测量温度的涂漆导体

 图6:使用红外测温摄像头测量温升

图7:未涂漆导体(仅在局部位置使用胶带)

完全涂漆的导体的温升是44℃(图2)。

当用裸铜(仅在测量点使用胶带)进行该试验时,温度升高到70℃,意味着温度额外升高26℃或60%。在裸导体上喷漆,效果与在导体增加绝缘层相当(绝缘材料的辐射率ε较高)。这意味着,从使用非绝缘铜的多层或“简易”母线排移动到叠层“高性能”母线排会对导体温度产生显著影响。

我们通常直观认为,增加额外绝缘层会增加母线排温度(在温度升高0.66℃的条件下,观察0.44mm绝缘层上的传导性),但是与此相反的是,辐射效应会是使温度下降40%(减少26℃)。

当使用风扇进行强制冷却时,因为对流占主导地位,所以会降低辐射对母线排热性能的影响。因此,自然冷却散热片通常涂成黑色(冲击辐射),而强制风扇冷却散热片通常使用无涂层铝材。

结论:母线排的热管理

母线排内的热传导不能决定热性能,但是与铜/铝的超低功率损耗密度和高热传导性有关。

对于从装置(母线排)到环境的热传递,若采用自然对流,则辐射是一个重要促成因素(40%),仅次于自然对流(60%)。母线排外表面(叠层)的绝缘对部件温度有很大影响。

责编:Johnson Zhang

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