2024年3月28日发(作者：宓嘉佑)
第07卷 第06期 2020年12月
Industrial Technology Innovation
工业技术创新
陈俊杰，等：IGBT散热器风冷散热优化设计与评估
Vol.07 No.06 Dec.2020
IGBT散热器风冷散热优化设计与评估
陈俊杰，周雷，秋雨豪
（特灵科技亚太研发中心，江苏太仓 215400）
摘 要： 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块功耗持续增加，对风冷散热提出了更高要求。以某
大型冷水机组变频器为研究对象，结合仿真模拟和试验测试，提出IGBT散热器优化方案：一是
将散热器翅片间距从3.0 mm减小到2.5 mm，增大换热面积；二是给每个IGBT模块增加2根热管，
突破肋效率带来的瓶颈问题。优化后进行验证，IGBT的工作结温从149.9℃降到127.2℃，达到了
IGBT最高工作结温控制在130℃以内的设计要求；同时对热管相容性和寿命进行评估，表明热管
工作介质不会对管壳材料造成腐蚀或者溶解，热管寿命可达到21万3 414 小时，能够保证变频器和
IGBT模块的长期可靠运行。
关键词： IGBT散热器；风冷散热；热管；肋效率；工作结温；相容性；可靠性
中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 (2020) 06-045-05
工业技术创新
URL
:
DOI
: 10.14103/.2095-8412.2020.06.008
引言
随着电子科学技术的发展，电子元器件的体积
越来越小，功耗和散热成为瓶颈问题，使得电子元
器件本身和使用电子元器件设备的热流密度不断增
大。据统计，电子产品发生故障的主要原因就是冷
却系统设计不良。因此，电子元器件的散热设计直
接决定使用该电子元器件的设备能否可靠工作、持
久耐用。
以绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate
Bipolar Transistor，IGBT）模块为例，对其进行的
失效机理研究表明：其各层材料的热膨胀系数在封
装时往往不一致。在长时间高温工作环境下，这种
不一致性可能会导致铝键合线脱落甚至断裂、焊料
层发生老化、栅极氧化层受到损坏等，甚至使得整
个芯片失效。因此，散热设计对于IGBT模块来说
也是尤为重要的。当前通用电子设备散热方式包括
空气自然对流、强迫空气/液体冷却、冷板/热管散
热、相变冷却等，是比较成熟的。在这几种散热方
式中，空气自然对流方式的散热能力最差，仅适用
于较小功率的电子元器件，越来越难以满足目前电
子元器件功率持续增加的需求
[1]
。目前最常用的散
热途径是对散热器的结构形式进行优化。
目前试验分析法和仿真分析法是研究IGBT模
块散热问题的两种主要方法。试验分析法一般在实
验室或者实际运行的机组上进行测试，得到可信度
高的温升数据，但是无法直接测量芯片内部及焊料
等部位的温度。仿真分析法一般通过电气、热力学
等理论建立数学模型进行计算，其中热力学仿真主
要包括热阻抗网络、有限元、有限体积和模型降阶
等方法
[2]
。在IGBT模块散热设计工作中，通常根据
需求采取试验分析法、仿真分析法中的一种，或者
将二者相结合。
笔者在对某大型冷水机组变频器进行设计过程
中，对IGBT散热情况进行了仿真模拟，发现常规
的风冷散热无法满足IGBT的散热要求；提出了增
大换热面积、增加热管个数这两个强化散热的解决
方案；经过仿真模拟，开展可靠性评估和寿命预
测，验证了方案的可行性。
1 IGBT散热问题描述
某大型冷水机组变频器的风冷散热系统如图1
所示。变频器采用5个风扇进行散热，风扇从下侧
吸风，风进入风道之后，先经过嵌在风道中的电
容，再进入IGBT散热器进行冷却，最后从上侧吹
出。在变频器设计开发阶段，笔者对IGBT的可靠
性进行了评估。在环境温度为40
℃
的条件下，对额
定电流为950 A的标准变频器在110%负载、600 V
母线电压、3 kHz载频、90%风量时IGBT各处的温
度进行了仿真模拟，结果如图2所示。从图2可以
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工业技术创新
Industrial Technology Innovation
2020年第06期
看出，IGBT散热器经过风冷散热系统后，其各处
温度中最高温度为126.9
℃
，据此可推算IGBT工作
结温已经达到149.9
℃
，温度太高，几乎没有余量
（IGBT工作结温最高允许值为150
℃
），无法满足
散热设计要求。通常来说，IGBT的最高工作结温
最好控制在130
℃
以内，以确保IGBT能够长期稳定
地工作。
效果不会随着风速的增大而大幅改善，只会造成风
机功率变得更大，成本增加，得不偿失。而且，该
变频器外形尺寸已经固定，没有足够的空间放置更
多或者更大的风扇。因此，笔者拟从以下两个方面
来改进IGBT的散热效果。
2.1 增大IGBT散热器换热面积
对于IGBT散热而言，按照对流传热的牛顿冷
却公式，散热器的总散热能力可以写为
其中，
(1)
为散热器的总散热能力（W）；为散
热器的总传热系数[W/(m
2
·K)]；为散热器的有
效散热面积（m
2
）；为IGBT散热器表面温度
与散热翅片周围冷却空气温度的差值（K），即
。
将式(1)变形为
图1 变频器的风冷散热系统
(2)
为了验证仿真模拟的结果，笔者还对变频器的
散热进行了试验验证。通过试验发现，在大电流
档位下，IGBT的散热达不到要求。变频器在满载
条件下，会出现过温报警的问题。因此，需要对
IGBT的散热进行重新设计。设计初期，首选对风
冷散热进行了改善，而没有考虑水冷散热，这是因
为水冷器泵循环系统较为复杂，而且需要二次风冷
却系统，还易出现泄漏问题，未能很好权衡研发成
本、系统可靠性和市场需求等因素
[3]
。
其中，是当有效散热面积为单位面积时，散
热器的总热阻（K/W）。按照传热学理论，是各
个串联传热环节中的热阻之和。对IGBT散热器而
言，其热阻主要由3部分组成。
(3)
其中，为IGBT内部的结到管壳的热阻；为
管壳到散热器内表面的热阻；为散热器内表面
到环境的热阻。在这3个热阻中，是由IGBT的
加工过程决定的，通常由IGBT生产厂家给定；
要远远小于其他两个热阻，通常可以忽略不计；
占热阻的比重最大。所以，对IGBT工作结温的
影响分析主要聚焦于的改善上。的大小通常
与散热器材料的热导率、散热器的大小、散热翅片
的高度和厚度、散热翅片的数量、散热翅片的间距
等因素有关。
通常来说，冷却气体横向掠过带翅片的散热器
2 IGBT散热改善方案设计
如同第1章所述，目前IGBT散热器采用的风冷
却系统还达不到散热要求，故首先需要考虑加大散
热风扇的风量。此外，考虑到目前散热风扇的风速
已经比较大，根据经验，风速达到一定值后，散热
图2 IGBT初始热仿真结果
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陈俊杰，等：IGBT散热器风冷散热优化设计与评估
时，其传热系数与工作环境的诸多因素相关联，对
应的关联式已由有关相似实验中得到
[3]
，即
(4)
其中，普朗特数
。
；雷诺数
为冷却气体掠过散热器
示，其是根据式(5)得到的。通过图3的曲线可以看
出，单纯靠增加翅片密度来获取更多的散热面积的
做法是不可取的。增加了散热面积，就增加了散热
器和周围冷却空气之间的散热系数，导致肋效
率 降低，随之带来的是对散热面积的抵消，最终
导致有效散热面积减小
[4]
。所以，翅片间距存有
一个最佳设计值。根据计算得到的最佳翅片间距是
2.5 mm。
翅片表面时的最大速度（m/s）；为冷却气体的
导热系数[W/(m·K)]；为冷却气体的定压比热
容[J/(kg·K)]；为冷却气体密度（kg/m
3
）；
为冷却气体动力粘度系数（kg/m·s）；是几何参
数，表示散热器的特征尺寸（m）；为翅片间距
（m）；为翅片厚度（m）。
在本例中，由于变频器的外形尺寸已经固定，
散热器的长度和宽度无法更改，所以优先考虑通过
减小翅片间距、增加翅片数量的方式来增大IGBT
散热器的换热面积。对普通散热器而言，翅片的肋
效率的表达式为
图3 肋效率与肋参数的依变关系曲线
(5)
其中，肋参数为一个参数群。为散热器
基板上的翅片高度（m）；为散热器与周围冷却
气流之间的传热系数[W/(m
2
·K)]；为散热器材料
的导热系数[W/(m·K)]。
散热器的有效散热面积
其中，
为
(6)
为散热器总的散热面积（m
2
）。
与肋参数的依变关系曲线如图3所
因此，在其他条件不变的情况下将散热器的
翅片间距从3.0 mm减小到2.5 mm，然后再对IGBT
的散热进行热仿真模拟，结果如图4所示。从图
4可以看出，IGBT散热器各处温度中最高温度为
115.6
℃
，折算成IGBT工作结温为138.6
℃
。这一结
温值虽然较之前有所降低，但是仍然无法满足散热
设计要求。
从上面的分析可知，虽然通过缩小翅片间距可
以增加实际翅片面积，但是有效散热面积会随
着肋效率的降低而减小，因此这种翅片类型的散热
器存在某一个散热极限。故而，如果IGBT发热量较
大，单凭增加换热面积是无法满足散热需求的。
2.2 在IGBT散热器上增加热管
为了进一步强化IGBT散热器的散热量，笔者
肋效率
图4 增大IGBT散热器换热面积的热仿真
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工业技术创新
Industrial Technology Innovation
2020年第06期
采用热管对IGBT散热器进行散热。热管是众所周
知的最有效的高效传热元件之一，其结构如图5所
示。热管是依靠封闭在管壳内部的介质相变来实现
传热的。热管两端分别是加热端和冷却端，加热端
受热后介质会吸收热量，迅速汽化，在热管两端压
强差的作用下，蒸汽会流向冷却端，并在冷却端释
放出汽化时吸收的热量。冷凝后的介质在毛细作用
力下从冷却端回到加热端，并再次吸热汽化，如此
循环，不断地把热量从加热端带向冷却端，直到热
管两端温度达到平衡一致
[5]
。在这样快速进行的循
环下，可以持续不断地把热量传导出去。采用热管
技术对IGBT进行散热，IGBT内部产生的热量绝大
多数通过IGBT基板传给热管，再通过热管把热量
传给散热翅片，使得散热器上所有翅片的热流密度
都不会有很大的差异。肋的设计结构可以显著提高
肋效率，增大有效散热面积，并且能够灵活布置，
通过热管把热量带到更加适合散热的地方，使得散
热器能够胜任高热流密度电子元器件在复杂恶劣工
作环境下的散热
[6]
。
增加热管之后，式(2)中的热阻发生了变化。
IGBT散热器在散热过程中，热量首先由IGBT传递
到热管加热端内，然后在热管内加热、冷却，再传
递到散热翅片的基板上，最后由冷却气流带走。在
这个传递过程中，总热阻R的表达式为
(7)
其中，
热热阻，
为从管壳传递到热管加热端内壁的导
，其中为热管加热端
的壁厚（m），为热管材料的导热系数[W/(m
·K)]，为热管加热端的内壁表面面积（m
2
）；
为加热端内的传热热阻，，其中
为加热端内壁与工质之间的传热系数[W/(m
2
·
K)]；为热管内饱和蒸汽的传热热阻（K/W），
对于等温传热而言，很小，可以忽略不计；
为冷却端蒸汽与内壁之间的热阻（K/W），
，其中为热管冷却端的内壁表面面
积（m
2
）， 为冷却端内壁与工质的传热系数[W/
(m
2
·K)]；为冷却端内壁到散热片基板之间的导
热热阻（K/W），，其中为热管
冷却端的壁厚（m），为热管冷却端材料的导
热系数[W/(m·K)]，为热管冷却端的中径面积
（m
2
）；为从散热翅片到冷却气流之间的传热
。热阻（K/W），
根据变频器的实际使用条件，在每个IGBT模
块下增加2根热管时，仿真模拟结果如图6所示。
从图6可以看出，IGBT散热器各处温度中最高温度
104.2
℃
，据此可推算IGBT工作结温为127.2
℃
，
图5 热管结构
图6 在IGBT散热器上增加热管的热仿真
·
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·
陈俊杰，等：IGBT散热器风冷散热优化设计与评估
满足结温低于130
℃
的设计要求。此外，在最恶劣
工况条件下对变频器的IGBT开展了实际的温升测
试，表明IGBT工作结温确凿在130
℃
以下，能够保
证变频器长期可靠地运行。
3 热管相容性及寿命预测
热管相容性是衡量在预期的设计寿命周期内，
管内的工作介质不会与壳体材料发生明显的物理反
应或化学变化，或虽然有点变化但不影响热管的工
作性能的指标。长期相容性良好的热管，不仅能够
保证稳定的传热性能，还能延长自身的工作寿命。
本文采用的烧结式热管内部采用的工作介质是去离
子水，不会产生不凝性气体。去离子水在150
℃
下
不会发生分解，而且去离子水在150
℃
下并不会与
铜发生化学反应，所以不会对管壳材料造成腐蚀或
者溶解
[7]
。所以，本文使用烧结式热管属于相容性
比较好的应用场景。
从业界对热管的研究来看，目前热管的寿命
只与工作温度相关，热管的加速寿命试验条件是
以180
℃
、96 h作为基准的，遵循工作温度每降低
10
℃
，热管的寿命延长1倍的准则。假设变频器运
行典型工况如表1所示，在最高环境温度40
℃
下，
负载率为110%的工况占所有工作时间的1%，负载
率为100%的工况占所有工作时间的10%，负载率
为80%的工况占所有工作时间的40%，负载率为
60%的工况占所有工作时间的40%，负载率为10%
的工况占所有工作时间的9%。通过计算，把所有
不同工况下实际寿命相加，即得到热管的寿命约等
于213 414 h。以水冷机组年平均运行6 000 h的工
作时间预估，该热管的使用寿命长达35.5年，完全
满足机组的寿命设计要求。
表1 不同负载率情况下热管最热温度及寿命小时数
负载率/%
110
100
80
60
10
环境温度/
℃
40
40
40
40
40
热管最高温度/
℃
93.6
84.7
75.0
65.8
56.5
计算寿命/h
38 297
70 972
139 023
263 047
501 178
实际工作时间占比/%
1
10
40
40
9
实际寿命/h
383
7 097
55 609
105 219
45 106
4 结束语
山东电力高等专科学校学报, 2010, 13(2): 46-48
[5] 崔燕鹏. 热管技术在采暖散热器上的应用研究[J]. 科技创
新导报, 2015(3): 96, 98.
[6] 潘阳. 热管在电子器件热控制中的应用[J]. 电子机械工程,
1995(4): 23-32.
[7] 曲伟, 王焕光. 高温及超高温热管的相容性和传热性能[J].
化工学报, 2011, 62(S1): 77-81.
本文结合仿真模拟和试验测试，聚焦于标准
散热器不能满足IGBT散热要求的问题，通过散热
器结构形式优化，以及在散热器上增加热管的方
案，使IGBT工作结温有效控制在设计要求范围
内，通过了变频器的温升测试。同时，本文还对
散热器中使用的热管寿命进行了预测，表明变频
器能够长期可靠运行。该研究成果对IGBT散热器
设计，以及热管在散热器中的应用具有一定的指
导作用。
参考文献
[1] 唐强. IGBT元件热管冷却传热性能的实验与数值研究[D].
兰州: 兰州交通大学, 2013.
[2] 徐鹏程, 陶汉中, 张红. IGBT热管式整体翅片散热器优化
分析[J]. 制冷学报, 2014, 35(5): 101-104.
[3] 丁杰, 张平. 地铁车辆牵引逆变器热管散热器的温升试验
及热仿真[J]. 中国铁道科学, 2016, 37(3): 95-100.
[4] 樊小朝, 史瑞静. 热管散热器在电力电子器件中的应用[J].
作者简介：
陈俊杰
（
1986
—），
通信作者
，
男
，
汉族
，
硕士
，
工程
师
。
研究方向
：
空调产品可靠性
。
E-mail: @
周雷
（
1978
—），
男
，
汉族
，
本科
，
工程师
。
研究方
向
：
空调产品可靠性
。
秋雨豪
（
1976
—），
男
，
汉族
，
博士
，
工程师
。
研究方
向
：
空调产品可靠性
。
（
收稿日期
：
2020-10-14
）
下转第66页
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工业技术创新
Industrial Technology Innovation
2020年第06期
Two-Stage Operational Amplifier Based on Multipath Zero Point Elimination
LU Xin-min, XIE Ling-xiao, HOU Wen-jie
(Nanjing Electronic Device Institution, Nanjing 210016, China)
Abstract:
A two-stage operational amplifier based on multipath zero point elimination is proposed.
Based on the design of simple Miller capacitor compensated two-stage operational amplifier, only
two transistors are needed to realize feedforward transconductance stage needed in the frequency
compensation. The left half plane zero point introduced improves the stability of the amplifier, and
no other parasitic non-master poles are introduced. The gain bandwidth products (GBW) of the two
amplifiers are 297 MHz and 77 MHz respectively, and no additional input capacitance and offset
voltage are introduced. Based on the SMIC 0.18 μm CMOS process, tapeout and verification are carried
out, and the test results are consistent with the theoretical analysis.
Key words:
Two-stage Operational Amplifier; Multipath Zero Point Elimination; Parasitic Non-master
Pole; Simple Miller Capacitance Compensation; Gain BandWidth Product (GBW); Tapeout
上接第49页
Optimization Design and Evaluation on Air-cooled Heat Dissipation of
IGBT Heat Dissipator
CHEN Jun-jie, ZHOU Lei, QIU Yu-hao
(Trane Technologies Engineering & Technology Center - Asia Pacific, Taicang 215400, China)
Abstract:
The power consumption of Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) module always increases,
which puts forward higher requirements for air-cooled heat dissipation. Taking the inverter of a large
chiller as the research object, combined with forward simulation and experimental test, the optimization
scheme of IGBT heat dissipator is proposed: firstly, the fin spacing of the heat dissipator is reduced from
3.0 mm to 2.5 mm to increase the heat exchange area; secondly, 2 heat pipes are added to each IGBT
module to break through the bottleneck problem of rib efficiency. The verification after optimization
shows that, the working junction temperature of IGBT is reduced from 149.9℃ to 127.2℃, which meets
the design requirement that the maximum working junction temperature of IGBT must be controlled
within 130℃; At the same time, the compatibility and life of the heat pipe are evaluated, showing that the
working medium of the heat pipe will not corrode or dissolve the shell material. The service life of the
heat pipe can reach 213 414 hours, which can ensure the long-term and reliable operation of the inverter
and IGBT module.
Key words:
IGBT Heat Dissipator; Air-cooled Heat Dissipation; Heat Pipe; Rib Efficiency; Working
Junction Temperature; Compatibility; Reliability
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2024年3月28日发(作者：宓嘉佑)
第07卷 第06期 2020年12月
Industrial Technology Innovation
工业技术创新
陈俊杰，等：IGBT散热器风冷散热优化设计与评估
Vol.07 No.06 Dec.2020
IGBT散热器风冷散热优化设计与评估
陈俊杰，周雷，秋雨豪
（特灵科技亚太研发中心，江苏太仓 215400）
摘 要： 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块功耗持续增加，对风冷散热提出了更高要求。以某
大型冷水机组变频器为研究对象，结合仿真模拟和试验测试，提出IGBT散热器优化方案：一是
将散热器翅片间距从3.0 mm减小到2.5 mm，增大换热面积；二是给每个IGBT模块增加2根热管，
突破肋效率带来的瓶颈问题。优化后进行验证，IGBT的工作结温从149.9℃降到127.2℃，达到了
IGBT最高工作结温控制在130℃以内的设计要求；同时对热管相容性和寿命进行评估，表明热管
工作介质不会对管壳材料造成腐蚀或者溶解，热管寿命可达到21万3 414 小时，能够保证变频器和
IGBT模块的长期可靠运行。
关键词： IGBT散热器；风冷散热；热管；肋效率；工作结温；相容性；可靠性
中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 (2020) 06-045-05
工业技术创新
URL
:
DOI
: 10.14103/.2095-8412.2020.06.008
引言
随着电子科学技术的发展，电子元器件的体积
越来越小，功耗和散热成为瓶颈问题，使得电子元
器件本身和使用电子元器件设备的热流密度不断增
大。据统计，电子产品发生故障的主要原因就是冷
却系统设计不良。因此，电子元器件的散热设计直
接决定使用该电子元器件的设备能否可靠工作、持
久耐用。
以绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate
Bipolar Transistor，IGBT）模块为例，对其进行的
失效机理研究表明：其各层材料的热膨胀系数在封
装时往往不一致。在长时间高温工作环境下，这种
不一致性可能会导致铝键合线脱落甚至断裂、焊料
层发生老化、栅极氧化层受到损坏等，甚至使得整
个芯片失效。因此，散热设计对于IGBT模块来说
也是尤为重要的。当前通用电子设备散热方式包括
空气自然对流、强迫空气/液体冷却、冷板/热管散
热、相变冷却等，是比较成熟的。在这几种散热方
式中，空气自然对流方式的散热能力最差，仅适用
于较小功率的电子元器件，越来越难以满足目前电
子元器件功率持续增加的需求
[1]
。目前最常用的散
热途径是对散热器的结构形式进行优化。
目前试验分析法和仿真分析法是研究IGBT模
块散热问题的两种主要方法。试验分析法一般在实
验室或者实际运行的机组上进行测试，得到可信度
高的温升数据，但是无法直接测量芯片内部及焊料
等部位的温度。仿真分析法一般通过电气、热力学
等理论建立数学模型进行计算，其中热力学仿真主
要包括热阻抗网络、有限元、有限体积和模型降阶
等方法
[2]
。在IGBT模块散热设计工作中，通常根据
需求采取试验分析法、仿真分析法中的一种，或者
将二者相结合。
笔者在对某大型冷水机组变频器进行设计过程
中，对IGBT散热情况进行了仿真模拟，发现常规
的风冷散热无法满足IGBT的散热要求；提出了增
大换热面积、增加热管个数这两个强化散热的解决
方案；经过仿真模拟，开展可靠性评估和寿命预
测，验证了方案的可行性。
1 IGBT散热问题描述
某大型冷水机组变频器的风冷散热系统如图1
所示。变频器采用5个风扇进行散热，风扇从下侧
吸风，风进入风道之后，先经过嵌在风道中的电
容，再进入IGBT散热器进行冷却，最后从上侧吹
出。在变频器设计开发阶段，笔者对IGBT的可靠
性进行了评估。在环境温度为40
℃
的条件下，对额
定电流为950 A的标准变频器在110%负载、600 V
母线电压、3 kHz载频、90%风量时IGBT各处的温
度进行了仿真模拟，结果如图2所示。从图2可以
·
45
·
工业技术创新
Industrial Technology Innovation
2020年第06期
看出，IGBT散热器经过风冷散热系统后，其各处
温度中最高温度为126.9
℃
，据此可推算IGBT工作
结温已经达到149.9
℃
，温度太高，几乎没有余量
（IGBT工作结温最高允许值为150
℃
），无法满足
散热设计要求。通常来说，IGBT的最高工作结温
最好控制在130
℃
以内，以确保IGBT能够长期稳定
地工作。
效果不会随着风速的增大而大幅改善，只会造成风
机功率变得更大，成本增加，得不偿失。而且，该
变频器外形尺寸已经固定，没有足够的空间放置更
多或者更大的风扇。因此，笔者拟从以下两个方面
来改进IGBT的散热效果。
2.1 增大IGBT散热器换热面积
对于IGBT散热而言，按照对流传热的牛顿冷
却公式，散热器的总散热能力可以写为
其中，
(1)
为散热器的总散热能力（W）；为散
热器的总传热系数[W/(m
2
·K)]；为散热器的有
效散热面积（m
2
）；为IGBT散热器表面温度
与散热翅片周围冷却空气温度的差值（K），即
。
将式(1)变形为
图1 变频器的风冷散热系统
(2)
为了验证仿真模拟的结果，笔者还对变频器的
散热进行了试验验证。通过试验发现，在大电流
档位下，IGBT的散热达不到要求。变频器在满载
条件下，会出现过温报警的问题。因此，需要对
IGBT的散热进行重新设计。设计初期，首选对风
冷散热进行了改善，而没有考虑水冷散热，这是因
为水冷器泵循环系统较为复杂，而且需要二次风冷
却系统，还易出现泄漏问题，未能很好权衡研发成
本、系统可靠性和市场需求等因素
[3]
。
其中，是当有效散热面积为单位面积时，散
热器的总热阻（K/W）。按照传热学理论，是各
个串联传热环节中的热阻之和。对IGBT散热器而
言，其热阻主要由3部分组成。
(3)
其中，为IGBT内部的结到管壳的热阻；为
管壳到散热器内表面的热阻；为散热器内表面
到环境的热阻。在这3个热阻中，是由IGBT的
加工过程决定的，通常由IGBT生产厂家给定；
要远远小于其他两个热阻，通常可以忽略不计；
占热阻的比重最大。所以，对IGBT工作结温的
影响分析主要聚焦于的改善上。的大小通常
与散热器材料的热导率、散热器的大小、散热翅片
的高度和厚度、散热翅片的数量、散热翅片的间距
等因素有关。
通常来说，冷却气体横向掠过带翅片的散热器
2 IGBT散热改善方案设计
如同第1章所述，目前IGBT散热器采用的风冷
却系统还达不到散热要求，故首先需要考虑加大散
热风扇的风量。此外，考虑到目前散热风扇的风速
已经比较大，根据经验，风速达到一定值后，散热
图2 IGBT初始热仿真结果
·
46
·
陈俊杰，等：IGBT散热器风冷散热优化设计与评估
时，其传热系数与工作环境的诸多因素相关联，对
应的关联式已由有关相似实验中得到
[3]
，即
(4)
其中，普朗特数
。
；雷诺数
为冷却气体掠过散热器
示，其是根据式(5)得到的。通过图3的曲线可以看
出，单纯靠增加翅片密度来获取更多的散热面积的
做法是不可取的。增加了散热面积，就增加了散热
器和周围冷却空气之间的散热系数，导致肋效
率 降低，随之带来的是对散热面积的抵消，最终
导致有效散热面积减小
[4]
。所以，翅片间距存有
一个最佳设计值。根据计算得到的最佳翅片间距是
2.5 mm。
翅片表面时的最大速度（m/s）；为冷却气体的
导热系数[W/(m·K)]；为冷却气体的定压比热
容[J/(kg·K)]；为冷却气体密度（kg/m
3
）；
为冷却气体动力粘度系数（kg/m·s）；是几何参
数，表示散热器的特征尺寸（m）；为翅片间距
（m）；为翅片厚度（m）。
在本例中，由于变频器的外形尺寸已经固定，
散热器的长度和宽度无法更改，所以优先考虑通过
减小翅片间距、增加翅片数量的方式来增大IGBT
散热器的换热面积。对普通散热器而言，翅片的肋
效率的表达式为
图3 肋效率与肋参数的依变关系曲线
(5)
其中，肋参数为一个参数群。为散热器
基板上的翅片高度（m）；为散热器与周围冷却
气流之间的传热系数[W/(m
2
·K)]；为散热器材料
的导热系数[W/(m·K)]。
散热器的有效散热面积
其中，
为
(6)
为散热器总的散热面积（m
2
）。
与肋参数的依变关系曲线如图3所
因此，在其他条件不变的情况下将散热器的
翅片间距从3.0 mm减小到2.5 mm，然后再对IGBT
的散热进行热仿真模拟，结果如图4所示。从图
4可以看出，IGBT散热器各处温度中最高温度为
115.6
℃
，折算成IGBT工作结温为138.6
℃
。这一结
温值虽然较之前有所降低，但是仍然无法满足散热
设计要求。
从上面的分析可知，虽然通过缩小翅片间距可
以增加实际翅片面积，但是有效散热面积会随
着肋效率的降低而减小，因此这种翅片类型的散热
器存在某一个散热极限。故而，如果IGBT发热量较
大，单凭增加换热面积是无法满足散热需求的。
2.2 在IGBT散热器上增加热管
为了进一步强化IGBT散热器的散热量，笔者
肋效率
图4 增大IGBT散热器换热面积的热仿真
·
47
·
工业技术创新
Industrial Technology Innovation
2020年第06期
采用热管对IGBT散热器进行散热。热管是众所周
知的最有效的高效传热元件之一，其结构如图5所
示。热管是依靠封闭在管壳内部的介质相变来实现
传热的。热管两端分别是加热端和冷却端，加热端
受热后介质会吸收热量，迅速汽化，在热管两端压
强差的作用下，蒸汽会流向冷却端，并在冷却端释
放出汽化时吸收的热量。冷凝后的介质在毛细作用
力下从冷却端回到加热端，并再次吸热汽化，如此
循环，不断地把热量从加热端带向冷却端，直到热
管两端温度达到平衡一致
[5]
。在这样快速进行的循
环下，可以持续不断地把热量传导出去。采用热管
技术对IGBT进行散热，IGBT内部产生的热量绝大
多数通过IGBT基板传给热管，再通过热管把热量
传给散热翅片，使得散热器上所有翅片的热流密度
都不会有很大的差异。肋的设计结构可以显著提高
肋效率，增大有效散热面积，并且能够灵活布置，
通过热管把热量带到更加适合散热的地方，使得散
热器能够胜任高热流密度电子元器件在复杂恶劣工
作环境下的散热
[6]
。
增加热管之后，式(2)中的热阻发生了变化。
IGBT散热器在散热过程中，热量首先由IGBT传递
到热管加热端内，然后在热管内加热、冷却，再传
递到散热翅片的基板上，最后由冷却气流带走。在
这个传递过程中，总热阻R的表达式为
(7)
其中，
热热阻，
为从管壳传递到热管加热端内壁的导
，其中为热管加热端
的壁厚（m），为热管材料的导热系数[W/(m
·K)]，为热管加热端的内壁表面面积（m
2
）；
为加热端内的传热热阻，，其中
为加热端内壁与工质之间的传热系数[W/(m
2
·
K)]；为热管内饱和蒸汽的传热热阻（K/W），
对于等温传热而言，很小，可以忽略不计；
为冷却端蒸汽与内壁之间的热阻（K/W），
，其中为热管冷却端的内壁表面面
积（m
2
）， 为冷却端内壁与工质的传热系数[W/
(m
2
·K)]；为冷却端内壁到散热片基板之间的导
热热阻（K/W），，其中为热管
冷却端的壁厚（m），为热管冷却端材料的导
热系数[W/(m·K)]，为热管冷却端的中径面积
（m
2
）；为从散热翅片到冷却气流之间的传热
。热阻（K/W），
根据变频器的实际使用条件，在每个IGBT模
块下增加2根热管时，仿真模拟结果如图6所示。
从图6可以看出，IGBT散热器各处温度中最高温度
104.2
℃
，据此可推算IGBT工作结温为127.2
℃
，
图5 热管结构
图6 在IGBT散热器上增加热管的热仿真
·
48
·
陈俊杰，等：IGBT散热器风冷散热优化设计与评估
满足结温低于130
℃
的设计要求。此外，在最恶劣
工况条件下对变频器的IGBT开展了实际的温升测
试，表明IGBT工作结温确凿在130
℃
以下，能够保
证变频器长期可靠地运行。
3 热管相容性及寿命预测
热管相容性是衡量在预期的设计寿命周期内，
管内的工作介质不会与壳体材料发生明显的物理反
应或化学变化，或虽然有点变化但不影响热管的工
作性能的指标。长期相容性良好的热管，不仅能够
保证稳定的传热性能，还能延长自身的工作寿命。
本文采用的烧结式热管内部采用的工作介质是去离
子水，不会产生不凝性气体。去离子水在150
℃
下
不会发生分解，而且去离子水在150
℃
下并不会与
铜发生化学反应，所以不会对管壳材料造成腐蚀或
者溶解
[7]
。所以，本文使用烧结式热管属于相容性
比较好的应用场景。
从业界对热管的研究来看，目前热管的寿命
只与工作温度相关，热管的加速寿命试验条件是
以180
℃
、96 h作为基准的，遵循工作温度每降低
10
℃
，热管的寿命延长1倍的准则。假设变频器运
行典型工况如表1所示，在最高环境温度40
℃
下，
负载率为110%的工况占所有工作时间的1%，负载
率为100%的工况占所有工作时间的10%，负载率
为80%的工况占所有工作时间的40%，负载率为
60%的工况占所有工作时间的40%，负载率为10%
的工况占所有工作时间的9%。通过计算，把所有
不同工况下实际寿命相加，即得到热管的寿命约等
于213 414 h。以水冷机组年平均运行6 000 h的工
作时间预估，该热管的使用寿命长达35.5年，完全
满足机组的寿命设计要求。
表1 不同负载率情况下热管最热温度及寿命小时数
负载率/%
110
100
80
60
10
环境温度/
℃
40
40
40
40
40
热管最高温度/
℃
93.6
84.7
75.0
65.8
56.5
计算寿命/h
38 297
70 972
139 023
263 047
501 178
实际工作时间占比/%
1
10
40
40
9
实际寿命/h
383
7 097
55 609
105 219
45 106
4 结束语
山东电力高等专科学校学报, 2010, 13(2): 46-48
[5] 崔燕鹏. 热管技术在采暖散热器上的应用研究[J]. 科技创
新导报, 2015(3): 96, 98.
[6] 潘阳. 热管在电子器件热控制中的应用[J]. 电子机械工程,
1995(4): 23-32.
[7] 曲伟, 王焕光. 高温及超高温热管的相容性和传热性能[J].
化工学报, 2011, 62(S1): 77-81.
本文结合仿真模拟和试验测试，聚焦于标准
散热器不能满足IGBT散热要求的问题，通过散热
器结构形式优化，以及在散热器上增加热管的方
案，使IGBT工作结温有效控制在设计要求范围
内，通过了变频器的温升测试。同时，本文还对
散热器中使用的热管寿命进行了预测，表明变频
器能够长期可靠运行。该研究成果对IGBT散热器
设计，以及热管在散热器中的应用具有一定的指
导作用。
参考文献
[1] 唐强. IGBT元件热管冷却传热性能的实验与数值研究[D].
兰州: 兰州交通大学, 2013.
[2] 徐鹏程, 陶汉中, 张红. IGBT热管式整体翅片散热器优化
分析[J]. 制冷学报, 2014, 35(5): 101-104.
[3] 丁杰, 张平. 地铁车辆牵引逆变器热管散热器的温升试验
及热仿真[J]. 中国铁道科学, 2016, 37(3): 95-100.
[4] 樊小朝, 史瑞静. 热管散热器在电力电子器件中的应用[J].
作者简介：
陈俊杰
（
1986
—），
通信作者
，
男
，
汉族
，
硕士
，
工程
师
。
研究方向
：
空调产品可靠性
。
E-mail: @
周雷
（
1978
—），
男
，
汉族
，
本科
，
工程师
。
研究方
向
：
空调产品可靠性
。
秋雨豪
（
1976
—），
男
，
汉族
，
博士
，
工程师
。
研究方
向
：
空调产品可靠性
。
（
收稿日期
：
2020-10-14
）
下转第66页
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49
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工业技术创新
Industrial Technology Innovation
2020年第06期
Two-Stage Operational Amplifier Based on Multipath Zero Point Elimination
LU Xin-min, XIE Ling-xiao, HOU Wen-jie
(Nanjing Electronic Device Institution, Nanjing 210016, China)
Abstract:
A two-stage operational amplifier based on multipath zero point elimination is proposed.
Based on the design of simple Miller capacitor compensated two-stage operational amplifier, only
two transistors are needed to realize feedforward transconductance stage needed in the frequency
compensation. The left half plane zero point introduced improves the stability of the amplifier, and
no other parasitic non-master poles are introduced. The gain bandwidth products (GBW) of the two
amplifiers are 297 MHz and 77 MHz respectively, and no additional input capacitance and offset
voltage are introduced. Based on the SMIC 0.18 μm CMOS process, tapeout and verification are carried
out, and the test results are consistent with the theoretical analysis.
Key words:
Two-stage Operational Amplifier; Multipath Zero Point Elimination; Parasitic Non-master
Pole; Simple Miller Capacitance Compensation; Gain BandWidth Product (GBW); Tapeout
上接第49页
Optimization Design and Evaluation on Air-cooled Heat Dissipation of
IGBT Heat Dissipator
CHEN Jun-jie, ZHOU Lei, QIU Yu-hao
(Trane Technologies Engineering & Technology Center - Asia Pacific, Taicang 215400, China)
Abstract:
The power consumption of Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) module always increases,
which puts forward higher requirements for air-cooled heat dissipation. Taking the inverter of a large
chiller as the research object, combined with forward simulation and experimental test, the optimization
scheme of IGBT heat dissipator is proposed: firstly, the fin spacing of the heat dissipator is reduced from
3.0 mm to 2.5 mm to increase the heat exchange area; secondly, 2 heat pipes are added to each IGBT
module to break through the bottleneck problem of rib efficiency. The verification after optimization
shows that, the working junction temperature of IGBT is reduced from 149.9℃ to 127.2℃, which meets
the design requirement that the maximum working junction temperature of IGBT must be controlled
within 130℃; At the same time, the compatibility and life of the heat pipe are evaluated, showing that the
working medium of the heat pipe will not corrode or dissolve the shell material. The service life of the
heat pipe can reach 213 414 hours, which can ensure the long-term and reliable operation of the inverter
and IGBT module.
Key words:
IGBT Heat Dissipator; Air-cooled Heat Dissipation; Heat Pipe; Rib Efficiency; Working
Junction Temperature; Compatibility; Reliability
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