8 功率模塊的冷卻
8.1 冷卻裝置、冷卻介質(zhì)和冷卻方法
    功率模塊的通態(tài)損耗、開關損耗、截止損耗等所產(chǎn)生的溫升須由散熱器來降低。散熱器的作用是增加功率模塊的傳熱和輻射面積、擴張熱流以及緩沖傳熱過程。
    基于模塊的絕緣性能， 一個系統(tǒng)的所有功率模塊都可安裝在一塊共同的散熱器上，該散熱器同時還可當作結(jié)構(gòu)部件，實現(xiàn)其他的功能(外殼、底座等)。
    散熱器的散熱過程為：通過直接傳導或借助于傳熱介質(zhì)將熱量傳遞到冷卻介質(zhì)。
    傳熱介質(zhì)可以是空氣、水或者(在極少數(shù)情況下)絕緣油，通過其自身的重力或通過風扇以及泵來實現(xiàn)循環(huán)傳熱過程。
    冷卻介質(zhì)可以是自然或被強制流動的空氣、水及其混合液。
    下面將主要討論自然空氣冷卻(自然對流)、強制空氣冷卻以及僅含一種冷卻介質(zhì)的水冷系統(tǒng)。其他更為復雜的冷卻方式，象熱管或蒸發(fā)冷卻，一般來說需要針對具體的應用做特別的沒計。另外，在功率模塊中油冷也幾乎很少被用到。
    在材料費用和加工費用允許的情況下，散熱器材料應該具有盡可能好的導熱系數(shù)λ。因此，金屬鋁(純鋁λ=247W／m·K)通常是優(yōu)先被采用的材料。在要求特別高的場合有時也可以采用銅(λ=398W／m·K)。
    值得注意的是導熱系數(shù)與制造工藝以及所采用的合金有很大的關系。在實際應用中，多數(shù)散熱器的導熱系數(shù)λ大致在150W／m·K(鑄造鋁合金)和220W／m·K(AIMgSi擠壓成型)之間。
    熱量的擴散對散熱器的散熱效率有著可觀的影響。因此，對散熱器根部厚度的優(yōu)化、翼片的數(shù)目、翼片的高度以及翼片的厚度之間比例的合適選取顯得相當重要：
    1)散熱器的根部是用于安裝功率模塊的、不含分岔的平面區(qū)域。該處與模塊底板之間的溫度梯度相對較小，有著明顯的熱擴散作用；
    2)對于空氣冷卻散熱器來說，其大部分熱量是通過翼片以輻射和傳導的方式傳遞到周邊環(huán)境的。而對于水冷散熱器來說，這一作用或多或少地是由具有特定結(jié)構(gòu)的水通道來實現(xiàn)的。
    由 Rthha=△T/Ptot=1/（αA） (40)
    可得到 Q=αA△T=Ptot
式中：Q為散發(fā)的熱量；
    α為傳導系數(shù)；
    A為傳熱面積；
    ΔT為與環(huán)境溫度之間的溫度差；
    Ptot為需要帶走的損耗；
    Rthha為散熱器的熱阻。
    如果采用較多的翼片，便可以增大傳熱面積，但前提是能夠保證流體的順暢流動，否則α會超比例下降。
    從這一結(jié)論出發(fā)，自然冷卻和強制冷卻的優(yōu)化條件便有所不同。
    當功耗增加時，散熱器溫度增高，受熱也就更加均勻。也就是說，有效熱交換的面積在增加。
8.2 冷卻裝置的傳熱模型
    在介紹功率模塊的熱性能時，等效熱路中的散熱器是由一個RC元件來描述的(Rthha，Zthha）。
    然而，當功耗在t=0時刻從P=0跳躍到P=Pm時，散熱器的動態(tài)熱抗Zthha隨時間t而變化的特性曲線顯示出其具有多個時間常數(shù)。系統(tǒng)總熱抗的特性曲線Zthha(t)可以通過將功率模塊的熱抗與模塊一散熱器的熱抗相迭加而得到。
8.3 自然空冷(自然對流)
    自然空冷多用于功耗低于50W的系統(tǒng)，以及不允許應用風扇或者器件的散熱面積特別大的大功率系統(tǒng)。
    一般來說，在自由對流時散熱器的熱阻往往大于功率模塊的內(nèi)部熱阻。所以，芯片與冷卻空氣之間的溫度差大部分降落在散熱器上。在接近模塊的散熱器處的溫度，常常高于強制風冷時的溫度，例如，在90℃到100℃之間。由于功耗通常比較小，所以根部和翼片相對較薄，而且材料的傳導系數(shù)對熱性能的影響不是十分重要。翼片之間的距離應當足夠地大，以便在空氣的升力(溫度差／密度)和摩擦力之間取得較好的折衷。將散熱器表面黑化可以有效地改善熱輻射性能。在安裝面和環(huán)境空氣之間的溫度差為50 K時，黑化后的散熱器熱阻約降低15％。值得注意的是，上述表面處理并不影響模塊底板和散熱器之間的傳熱界面。
8.4 強制風冷
    與自然空冷相比較，強制風冷時散熱器的熱阻可降低到1／5~1／15。
    同自由對流相比，強制風冷時的α明顯要大許多。當空氣的入口溫度為35℃時(參數(shù)表中的額定環(huán)境溫度)，強制風冷散熱器的表面溫度在額定運行時不應該大于80℃到90℃。
    散熱器材料的傳導系數(shù)對冷卻的效果影響極大。因此，建議選擇較厚的根部和盡可能多的翼片數(shù)目。由于熱量主要通過對流而散發(fā)，所以對于強制空冷來說，對散熱器進行黑化處理幾乎沒有什么效果。
    熱阻Rt