8 功率模块的冷却
8.1 冷却装置、冷却介质和冷却方法
    功率模块的通态损耗、开关损耗、截止损耗等所产生的温升须由散热器来降低。散热器的作用是增加功率模块的传热和辐射面积、扩张热流以及缓冲传热过程。
    基于模块的绝缘性能， 一个系统的所有功率模块都可安装在一块共同的散热器上，该散热器同时还可当作结构部件，实现其他的功能(外壳、底座等)。
    散热器的散热过程为：通过直接传导或借助于传热介质将热量传递到冷却介质。
    传热介质可以是空气、水或者(在极少数情况下)绝缘油，通过其自身的重力或通过风扇以及泵来实现循环传热过程。
    冷却介质可以是自然或被强制流动的空气、水及其混合液。
    下面将主要讨论自然空气冷却(自然对流)、强制空气冷却以及仅含一种冷却介质的水冷系统。其他更为复杂的冷却方式，象热管或蒸发冷却，一般来说需要针对具体的应用做特别的没计。另外，在功率模块中油冷也几乎很少被用到。
    在材料费用和加工费用允许的情况下，散热器材料应该具有尽可能好的导热系数λ。因此，金属铝(纯铝λ=247W／m·K)通常是优先被采用的材料。在要求特别高的场合有时也可以采用铜(λ=398W／m·K)。
    值得注意的是导热系数与制造工艺以及所采用的合金有很大的关系。在实际应用中，多数散热器的导热系数λ大致在150W／m·K(铸造铝合金)和220W／m·K(AIMgSi挤压成型)之间。
    热量的扩散对散热器的散热效率有着可观的影响。因此，对散热器根部厚度的优化、翼片的数目、翼片的高度以及翼片的厚度之间比例的合适选取显得相当重要：
    1)散热器的根部是用于安装功率模块的、不含分岔的平面区域。该处与模块底板之间的温度梯度相对较小，有着明显的热扩散作用；
    2)对于空气冷却散热器来说，其大部分热量是通过翼片以辐射和传导的方式传递到周边环境的。而对于水冷散热器来说，这一作用或多或少地是由具有特定结构的水通道来实现的。
    由 Rthha=△T/Ptot=1/（αA） (40)
    可得到 Q=αA△T=Ptot
式中：Q为散发的热量；
    α为传导系数；
    A为传热面积；
    ΔT为与环境温度之间的温度差；
    Ptot为需要带走的损耗；
    Rthha为散热器的热阻。
    如果采用较多的翼片，便可以增大传热面积，但前提是能够保证流体的顺畅流动，否则α会超比例下降。
    从这一结论出发，自然冷却和强制冷却的优化条件便有所不同。
    当功耗增加时，散热器温度增高，受热也就更加均匀。也就是说，有效热交换的面积在增加。
8.2 冷却装置的传热模型
    在介绍功率模块的热性能时，等效热路中的散热器是由一个RC元件来描述的(Rthha，Zthha）。
    然而，当功耗在t=0时刻从P=0跳跃到P=Pm时，散热器的动态热抗Zthha随时间t而变化的特性曲线显示出其具有多个时间常数。系统总热抗的特性曲线Zthha(t)可以通过将功率模块的热抗与模块一散热器的热抗相迭加而得到。
8.3 自然空冷(自然对流)
    自然空冷多用于功耗低于50W的系统，以及不允许应用风扇或者器件的散热面积特别大的大功率系统。
    一般来说，在自由对流时散热器的热阻往往大于功率模块的内部热阻。所以，芯片与冷却空气之间的温度差大部分降落在散热器上。在接近模块的散热器处的温度，常常高于强制风冷时的温度，例如，在90℃到100℃之间。由于功耗通常比较小，所以根部和翼片相对较薄，而且材料的传导系数对热性能的影响不是十分重要。翼片之间的距离应当足够地大，以便在空气的升力(温度差／密度)和摩擦力之间取得较好的折衷。将散热器表面黑化可以有效地改善热辐射性能。在安装面和环境空气之间的温度差为50 K时，黑化后的散热器热阻约降低15％。值得注意的是，上述表面处理并不影响模块底板和散热器之间的传热界面。
8.4 强制风冷
    与自然空冷相比较，强制风冷时散热器的热阻可降低到1／5~1／15。
    同自由对流相比，强制风冷时的α明显要大许多。当空气的入口温度为35℃时(参数表中的额定环境温度)，强制风冷散热器的表面温度在额定运行时不应该大于80℃到90℃。
    散热器材料的传导系数对冷却的效果影响极大。因此，建议选择较厚的根部和尽可能多的翼片数目。由于热量主要通过对流而散发，所以对于强制空冷来说，对散热器进行黑化处理几乎没有什么效果。
    热阻Rt