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【摘 要】随着功率半导体器件的发展，螺栓式器件已被淘汰，目前常用的功率半导体器件，包括模块和平板器件两种。功率半导体器件在工作时会因功率耗散而发热，如果热量不能及时排出，器件会因过热而烧毁，因此，功率半导体器件的散热在机电工程中应用中显得尤为重要。
【关键词】功率器件；散热
1.散热器基础
作为散热器的铝合金型材，通常采用的是6000系列镁硅铝合金，其供应状态包括T4、T5、T6。模块的散热器选配，其散热器主要选用6063铝合金型材。在众多的铝合金材料中，6063的导热系数是较高的，达到209 W/mK，与纯铝的导热系数237 W/mK比较接近。其抗拉强度适中，厚度可小于6 mm。供应状态T5系由高温成型过程冷却后，不经过冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限），型材变形系数小，硬度一般，适宜作为功率器件的散热器。
平板器件作为大电流的半导体器件，散热器是作为电极导电的，表面不宜进行氧化处理。
2.选配散热器的原则
散热器的选取原则，应使模块芯片的实际工作结温低于芯片的最高允许结温。无论是连续工作制还是短时工作制，都不允许器件超结温。晶闸管结温不超过125℃（398.15K），整流管结温不超过150℃（423.15K）。
模块在使用时，必须配备适当的散热器。为保证功率半导体器件正常工作，散热条件至关重要，主要涉及环境温度、空气流动、环境污染程度等情况。随着环境温度的升高，器件P-N结到散热器的温差变小，严重影响散热效果。空气流动越通畅，散热器向环境散热就越快，反之则散热变慢。环境污染越严重，散热器上覆盖的灰尘就会越多，不仅为散热器向环境散热增加了一个阻挡层，也使得散热风机的叶片结垢而影响转速，会严重影响散热效果。器件工作的空间大小也与散热有关，狭小的空间会造成热量聚积，减小模块到散热器的温度梯度，影响散热。因此，要注意保持环境的清洁，设备上的灰尘也应及时清理。
晶闸管模块的热阻与功耗计算，按以下经验公式：
Rja= （Tj-Ta）/ PT（AV）=Rjc+Rch+Rha （1）
PT（AV）=VTOITAV+rTIeq RMS （2）
或 PT（AV）=（0.785VTM+0.215VTO）ITAV （3）
式中：
PT（AV）——模块芯片耗散功率
IRMS——通态电流交流有效值
ITAV /IFAV——晶闸管/整流管通态平均电流
rT /rF——晶闸管/整流管斜率电阻
VTM /VFM——晶闸管/整流管通态峰值电压
VTO /VFO——晶闸管/整流管阈电压（门槛电压）
Rch——模块基板与散热器的接触热阻
Rja——芯片与环境间热阻（总热阻）
Rjc——模块结壳热阻
Rha——散热器热阻
Ta——模块使用环境温度
Tc——模块基板温度（壳温）
Tj——P-N结温度
3.连续工作制的散热器选配
连续工作制的半导体器件，选配散热器要充分考虑影响热传导的各种因素。散热器的选配只能是半定量计算，环境温度、散热空间、灰尘、空气流速等环境因素对散热条件均有影响，选配散热器时要多方考虑。
散热器的散热效果主要取决于散热器的表面积，其表面积越大，散热效果就越好。计算散热器表面积时，其端面可忽略。要增大散热器表面积可增加其长度，但散热器的长度又不能无限制，而且，散热器的热阻与其长度非线性关系！模块热量的传导以垂直方向为主，横向传导则要慢很多，因此，单纯依靠加长散热器是不可取的，而且在散热器长度增加的同时也增大了风阻，从而降低了散热效率。而7m/s以内的空气流速对散热器的热阻影响却很明显。
若利用公式（2）或公式（3），通过计算，得到某模块的耗散功率为240W，模块的结壳热阻Rjc=0.08K/W， 模块与散热器的接触热阻Rch=0.05K/W，环境温度按最高温度40℃，则按公式（1），有
Rja= （Tj-Ta）/ PT（AV）=（125-40）/240=0.35（K/W）
又Rja=Rjc+Rch+Rha，则
Rha=Rja-Rjc-Rch=0.35-0.08-0.05=0.22（K/W）
据此，可选择DXC-616散热器长度为100 mm、风速4 m/s的散热条件即可，或者DXC-616散热器长度为50 mm、风速不低于7 m/s（对风机要求较高）的散热条件也可。在实际工作环境下，模块的通态平均电流不会达到额定值，可根据实际情况酌情考虑。
如果梳状散热器没有相关试验曲线，我们也可按下面的公式选配散热器：
式中：
H——散热器齿高
K——散热器导热系数（6063铝合金的导热系数209 W/mK）
l——散热器长度
L——散热器截面周长
v——风速
w——散热器齿宽
n——散热器齿数
最后得到的结果，Rha单位为K/W
4.短时工作制的散热器选配
短时工作制，指的是功率半导体器件的持续工作时间不足以使散热系统达到热平衡，而其空载（或不工作）时间足以使系统恢复到环境温度。按国家标准，短时工作标准时间分为7种（30 s～90 min）。
短时工作制下，散热器的主要作用不是散热，而是吸收热量，这就要求散热器要有足够的热容量，在理想状态下，可把功率半导体模块的功耗发热全部吸收。实际工作中，虽然散热器在吸收热量的同时也向环境中释放热能，但因热阻的存在会使热量传递过程受到一定的阻碍，而且这种阻碍的效果远大于散热器的放热效果，致使散热器的温度远远低于芯片结温。因此，在计算过程中，我们会忽略散热器向环境释放的热能。
按GB/T3190-2008《变形铝及铝合金化学成分》的要求，作为散热器的铝合金型材，其铝的含量一般在98%～99%，我们可按纯铝的比热容0.88kJ/（kg·K）来计算。
以某厂家的KP2500-16平板硅为例，VTM=1.80V，VTO=0.75V，负载电机的每相工作电流有效值为1455A，短时工作环境为4倍电流、时间为30s。则
每路反并联平板硅通流的有效值为1455×4=5820A
每支平板硅通流的平均值为5820/2.2=2645A，略大于平板硅的额定值。
PT（AV）=（0.785VTM+0.215VTO）ITAV=（0.785×1.80+0.215×0.75）×2645=4164（W）
短时工作发热量Q=PT（AV）tw=4164×30=124920J=124.92kJ
设定环境最高温度为40℃，允许最高壳温85℃，则有
124.92/（0.88×45）=3.15kg
每一组反并联的平板硅需铝合金散热器3.15×2=6.3kg
如将上例中的散热器改为铜材，铜的比热容为0.39 kJ/（kg·K），则有
124.92/（0.39×45）=7.12kg
每一组反并联的平板硅需铜材散热器7.12×2=14.24kg
5.结语
功率半导体器件的散热器选配，只能是一种半定量计算，与实际情况相比，一定会存在偏差。在结合实践经验的基础上，还要根据实际工作进行相应的试验。掌握器件的极限值、进行功耗计算是关键，确定散热器热阻，在此基础上选择相应的散热器。因各种因素的影响，还需进行模拟实际工作情况试验，才能选配合适的散热器，既能保证功率半导体器件的散热所需，又不会造成设备空间和设计成本的浪费。
【关键词】功率器件；散热
1.散热器基础
作为散热器的铝合金型材，通常采用的是6000系列镁硅铝合金，其供应状态包括T4、T5、T6。模块的散热器选配，其散热器主要选用6063铝合金型材。在众多的铝合金材料中，6063的导热系数是较高的，达到209 W/mK，与纯铝的导热系数237 W/mK比较接近。其抗拉强度适中，厚度可小于6 mm。供应状态T5系由高温成型过程冷却后，不经过冷加工（可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限），型材变形系数小，硬度一般，适宜作为功率器件的散热器。
平板器件作为大电流的半导体器件，散热器是作为电极导电的，表面不宜进行氧化处理。
2.选配散热器的原则
散热器的选取原则，应使模块芯片的实际工作结温低于芯片的最高允许结温。无论是连续工作制还是短时工作制，都不允许器件超结温。晶闸管结温不超过125℃（398.15K），整流管结温不超过150℃（423.15K）。
模块在使用时，必须配备适当的散热器。为保证功率半导体器件正常工作，散热条件至关重要，主要涉及环境温度、空气流动、环境污染程度等情况。随着环境温度的升高，器件P-N结到散热器的温差变小，严重影响散热效果。空气流动越通畅，散热器向环境散热就越快，反之则散热变慢。环境污染越严重，散热器上覆盖的灰尘就会越多，不仅为散热器向环境散热增加了一个阻挡层，也使得散热风机的叶片结垢而影响转速，会严重影响散热效果。器件工作的空间大小也与散热有关，狭小的空间会造成热量聚积，减小模块到散热器的温度梯度，影响散热。因此，要注意保持环境的清洁，设备上的灰尘也应及时清理。
晶闸管模块的热阻与功耗计算，按以下经验公式：
Rja= （Tj-Ta）/ PT（AV）=Rjc+Rch+Rha （1）
PT（AV）=VTOITAV+rTIeq RMS （2）
或 PT（AV）=（0.785VTM+0.215VTO）ITAV （3）
式中：
PT（AV）——模块芯片耗散功率
IRMS——通态电流交流有效值
ITAV /IFAV——晶闸管/整流管通态平均电流
rT /rF——晶闸管/整流管斜率电阻
VTM /VFM——晶闸管/整流管通态峰值电压
VTO /VFO——晶闸管/整流管阈电压（门槛电压）
Rch——模块基板与散热器的接触热阻
Rja——芯片与环境间热阻（总热阻）
Rjc——模块结壳热阻
Rha——散热器热阻
Ta——模块使用环境温度
Tc——模块基板温度（壳温）
Tj——P-N结温度
3.连续工作制的散热器选配
连续工作制的半导体器件，选配散热器要充分考虑影响热传导的各种因素。散热器的选配只能是半定量计算，环境温度、散热空间、灰尘、空气流速等环境因素对散热条件均有影响，选配散热器时要多方考虑。
散热器的散热效果主要取决于散热器的表面积，其表面积越大，散热效果就越好。计算散热器表面积时，其端面可忽略。要增大散热器表面积可增加其长度，但散热器的长度又不能无限制，而且，散热器的热阻与其长度非线性关系！模块热量的传导以垂直方向为主，横向传导则要慢很多，因此，单纯依靠加长散热器是不可取的，而且在散热器长度增加的同时也增大了风阻，从而降低了散热效率。而7m/s以内的空气流速对散热器的热阻影响却很明显。
若利用公式（2）或公式（3），通过计算，得到某模块的耗散功率为240W，模块的结壳热阻Rjc=0.08K/W， 模块与散热器的接触热阻Rch=0.05K/W，环境温度按最高温度40℃，则按公式（1），有
Rja= （Tj-Ta）/ PT（AV）=（125-40）/240=0.35（K/W）
又Rja=Rjc+Rch+Rha，则
Rha=Rja-Rjc-Rch=0.35-0.08-0.05=0.22（K/W）
据此，可选择DXC-616散热器长度为100 mm、风速4 m/s的散热条件即可，或者DXC-616散热器长度为50 mm、风速不低于7 m/s（对风机要求较高）的散热条件也可。在实际工作环境下，模块的通态平均电流不会达到额定值，可根据实际情况酌情考虑。
如果梳状散热器没有相关试验曲线，我们也可按下面的公式选配散热器：
式中：
H——散热器齿高
K——散热器导热系数（6063铝合金的导热系数209 W/mK）
l——散热器长度
L——散热器截面周长
v——风速
w——散热器齿宽
n——散热器齿数
最后得到的结果，Rha单位为K/W
4.短时工作制的散热器选配
短时工作制，指的是功率半导体器件的持续工作时间不足以使散热系统达到热平衡，而其空载（或不工作）时间足以使系统恢复到环境温度。按国家标准，短时工作标准时间分为7种（30 s～90 min）。
短时工作制下，散热器的主要作用不是散热，而是吸收热量，这就要求散热器要有足够的热容量，在理想状态下，可把功率半导体模块的功耗发热全部吸收。实际工作中，虽然散热器在吸收热量的同时也向环境中释放热能，但因热阻的存在会使热量传递过程受到一定的阻碍，而且这种阻碍的效果远大于散热器的放热效果，致使散热器的温度远远低于芯片结温。因此，在计算过程中，我们会忽略散热器向环境释放的热能。
按GB/T3190-2008《变形铝及铝合金化学成分》的要求，作为散热器的铝合金型材，其铝的含量一般在98%～99%，我们可按纯铝的比热容0.88kJ/（kg·K）来计算。
以某厂家的KP2500-16平板硅为例，VTM=1.80V，VTO=0.75V，负载电机的每相工作电流有效值为1455A，短时工作环境为4倍电流、时间为30s。则
每路反并联平板硅通流的有效值为1455×4=5820A
每支平板硅通流的平均值为5820/2.2=2645A，略大于平板硅的额定值。
PT（AV）=（0.785VTM+0.215VTO）ITAV=（0.785×1.80+0.215×0.75）×2645=4164（W）
短时工作发热量Q=PT（AV）tw=4164×30=124920J=124.92kJ
设定环境最高温度为40℃，允许最高壳温85℃，则有
124.92/（0.88×45）=3.15kg
每一组反并联的平板硅需铝合金散热器3.15×2=6.3kg
如将上例中的散热器改为铜材，铜的比热容为0.39 kJ/（kg·K），则有
124.92/（0.39×45）=7.12kg
每一组反并联的平板硅需铜材散热器7.12×2=14.24kg
5.结语
功率半导体器件的散热器选配，只能是一种半定量计算，与实际情况相比，一定会存在偏差。在结合实践经验的基础上，还要根据实际工作进行相应的试验。掌握器件的极限值、进行功耗计算是关键，确定散热器热阻，在此基础上选择相应的散热器。因各种因素的影响，还需进行模拟实际工作情况试验，才能选配合适的散热器，既能保证功率半导体器件的散热所需，又不会造成设备空间和设计成本的浪费。