CN105277583B - 一种模拟igbt元件发热的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟IGBT元件发热的装置，包括底板、导热板、发热件、保温件和隔热板，所述底板、导热板和隔热板由下至上依次堆叠，所述发热件安装于导热板内，所述保温件包裹于导热板上。本发明具有结构简单、成本低廉、制作方便、可有效模拟IGBT元件的发热行为，提高实验测试准确性等优点。

Description

一种模拟IGBT元件发热的装置

技术领域

本发明主要涉及到IGBT元件的性能测试领域，特指一种适用于IGBT元件的散热器热性能测试装置。

背景技术

IGBT元件在工作过程中会产生大量的热量，必须通过散热器将热量迅速带走，以保证IGBT元件的结温在安全运行范围内，散热器的热性能好坏直接影响到IGBT元件的可靠性。以IGBT元件来对散热器进行热性能测试时，IGBT元件使用时需要具备驱动、控制等设备，系统复杂；IGBT元件不能长时间极限工况运行；IGBT元件的损耗特性与芯片结温有很大的关系，容易因结温的波动而带来很大的实验误差；因IGBT元件的芯片被绝缘材料封装起来，需将绝缘材料去除后才能测出其内部芯片的结温，这很容易使IGBT元件遭受机械损伤；IGBT元件的成本高。因此，以上诸多因素说明IGBT元件不适合直接作为散热器热性能实验研究的热源，需要采用合适的模拟热源以反映IGBT元件的发热方式。

目前，模拟IGBT元件发热的装置主要存在如下缺点：

（1）IGBT元件由AlSiC基板或Cu基板、焊料层、铜层、AlN层、芯片等不同材料组成，尽管焊料层、铜层和AlN层的厚度较小，但不同材料及不同面积组合之后存在热扩展效应，芯片的发热面积体现在基板上时，要比芯片的实际面积大。因此，未建立凸台的装置发热行为既有别于实际IGBT元件发热方式，也有别于均布面热源方式，不能有效满足散热器的热性能实验。

（2）装置有较大的面积与外界空气直接接触，由于装置的温度高，易向外界环境辐射热量，使得传导至散热器的热量有所减少，散热器接受的热量与装置产生的热量存在一定偏差，影响测试准确性。

（3）装置采用的电热管或发热棒既具有电阻特性，也具有少许电感特性，直接利用电压乘以电流来计算发热功率，会较实际产生的热量稍微偏大。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低廉、制作方便、可有效模拟IGBT元件的发热行为，提高实验测试准确性的模拟IGBT元件发热的装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种模拟IGBT元件发热的装置，包括底板、导热板、发热件、保温件和隔热板，所述底板、导热板和隔热板由下至上依次堆叠，所述发热件安装于导热板内，所述保温件包裹于导热板上。

作为本发明的进一步改进：所述底板上设置有若干个与IGBT芯片和二极管芯片对应的凸台。

作为本发明的进一步改进：所述凸台的面积按照芯片的大小和形状予以放大，热扩展角度取45度，在芯片尺寸基础上放大0.5mm～2mm。

作为本发明的进一步改进：所述导热板上开设有若干个孔，所述孔用来安装发热件。

作为本发明的进一步改进：所述孔的方向为沿着底板的长度方向，或者所述孔的方向为沿着底板的宽度方向。

作为本发明的进一步改进：所述导热板上设有楔形槽，所述隔热板上设置有与楔形槽配合的楔形凸台。

作为本发明的进一步改进：所述发热件为电热管或发热棒，所述电热管或发热棒的引线连接至电源，采用电压传感器、电流传感器实时采集电路中电压、电流信号，通过智能仪表传输到工控机；再通过控制电源电压的方式控制电热管或发热棒的功率，控制电路中设有功率因数表用以修正电热管或发热棒的发热量计算值。

作为本发明的进一步改进：所述保温件为保温棉。

作为本发明的进一步改进：所述隔热板的上方设置垫板并与连接件形成配合用以连接散热器。

作为本发明的进一步改进：所述连接件为螺栓组件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的底板凸台长宽尺寸根据IGBT元件的热扩展效应来确定，可以准确反映IGBT元件的芯片体现在底板上的发热行为。

2、本发明采用电压传感器、电流传感器实时采集电路中电压、电流信号，为功率变化情况提供详细的记录，确保了热性能测试数据的完整性。

3、本发明的电路中添加功率因数表，用以修正电热管或发热棒的发热量计算值，可以更为准确地计算出电热管或发热棒的发热量。

4、本发明采用保温棉包裹导热板的大部分面积，热量将主要传导至散热器上，减少对外辐射换热的影响，可以更为准确地测试散热器的热性能。

5、本发明的隔热板用于阻隔导热板与不锈钢垫板之间的热传导，可以减少热量通过不锈钢垫板的散失，隔热板上的楔形凸台与导热板上的楔形槽为间隙配合，可以方便导热板的快速定位。

6、本发明的不锈钢垫板可保证螺栓组件旋紧过程中对整个装置的机械保护。

综上所述，本发明可以保证装置的发热特性与IGBT元件基本相似，有利于提高IGBT元件用散热器热性能测试的准确性，此外，本装置安装拆卸简单、方便，易于工程化应用。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明中分解结构示意图。

图例说明：

1、底板；101、凸台；2、导热板；201、楔形槽；3、发热件；4、保温件；5、隔热板；6、垫板；7、连接件。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明的一种模拟IGBT元件发热的装置，包括底板1、导热板2、发热件3、保温件4、隔热板5、垫板6和连接件7，底板1、导热板2和隔热板5由下至上依次堆叠，发热件3安装于导热板2内，保温件4包裹于导热板2上，垫板6位于隔热板5的上方并与连接件7形成配合，用以连接散热器。

底板1的尺寸应根据IGBT元件的基板尺寸来确定。底板1上设置有若干个凸台101，首先以IGBT元件中IGBT芯片和二极管芯片位置与长宽尺寸为依据，再将凸台101的长宽尺寸予以适当放大。即，考虑到IGBT元件的热扩展效应，凸台101的面积按照芯片的大小和形状予以适当放大。在较佳的实施例中，热扩展角度取45度，功率等级大的IGBT元件可在芯片尺寸基础上放大2mm，功率等级小的IGBT元件可在芯片尺寸基础上放大0.5mm，其余功率等级的IGBT元件放大的值可在0.5mm～2mm。底板1的底部平面的光洁度要求与IGBT元件基板相同，底板1在贴在散热器之前，应在散热器的安装区域均匀涂抹一层薄的导热硅脂，以减小接触热阻的影响。底板1的凸台101表面均匀涂抹一层薄的导热硅脂，以减少底板1与导热板2之间的接触热阻。底板1的材料可以选择铜或其他材质。

导热板2上开设有孔，孔的形状可以为圆形。在具体实施例中，圆孔的开设方向可沿着底板1的长度方向，也可沿着底板1的宽度方向。圆孔的直径略比发热件3（如：电热管或发热棒）的直径大，以避免发热件3安装困难。当圆孔方向选择底板1的长度方向时，所需发热件3的数量较少，引线相应较少，但发热件3的长度值较大，且单根发热件3的发热量亦会较大。当圆孔方向选择底板1的宽度方向时，所需发热件3的数量较多，引线相应较多，但发热件3的长度值较小，且单根发热件3的发热量亦会较小。在实际操作过程中，可根据具体情况进行选择，两种选择方式均在本发明的保护范围之内。在较佳的实施例中，圆孔应呈规则排布。导热板2材料可以选择铜或铝材质。

本实施例中，进一步在导热板2上加工有楔形槽201，用于与隔热板5上的楔形凸台实现间隙配合，有利于隔热板5的快速定位。

发热件3可以根据实际需要选用电热管或发热棒或其他，电热管或发热棒的引线连接至电源，采用电压传感器、电流传感器实时采集电路中电压、电流信号，通过智能仪表传输到工控机，实现电热管或发热棒加热功率的实时采集。在具体使用时，可通过控制电源电压的方式控制电热管或发热棒的功率，电路中添加功率因数表，用以修正电热管或发热棒的发热量计算值。电热管或发热棒的发热功率可根据电压乘以电流，再乘以功率因数来得到。电热管或发热棒在插入导热板2的圆孔中时，需要涂抹导热硅脂，以减小电热管或发热棒与导热板2之间的接触热阻。

保温件4可以根据实际需要使用柔软的隔热材料，便于包裹导热板2；同时，保温件4具有一定的厚度，以保证绝热效果。如，保温件4可以根据实际需要采用保温棉或其他保温材质。在保温件4上位于电热管或发热棒引线端的位置处开设有缺口，便于电热管或发热棒引线的引出。保温棉包裹导热板2的大部分面积，热量将主要传导至散热器上，以减少对外辐射换热的影响。

隔热板5用于阻隔导热板2与垫板6之间的热传导，可以减少热量通过垫板6的散失，隔热板5上有楔形凸台，用于与导热板2上的楔形槽201进行间隙配合。隔热板5的材料可根据实际需要选择云母板、环氧树脂、其他隔热材料等。

连接件7用来将本发明的装置与散热器进行连接，形成紧固连接。根据实际需要可以选用螺栓组件或其他类型的连接组件，螺栓紧固力矩按照螺栓直径对应的力矩值确定。而垫板6可保证螺栓组件旋紧过程中对整个装置的机械保护，避免螺栓造成的划伤破坏。垫板6可以采用不锈钢垫板，其具有很大的强度，可避免螺栓组件紧固时隔热板存在较大的变形与应力。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种模拟IGBT元件发热的装置，其特征在于，包括底板（1）、导热板（2）、发热件（3）、保温件（4）和隔热板（5），所述底板（1）、导热板（2）和隔热板（5）由下至上依次堆叠，所述发热件（3）安装于导热板（2）内，所述保温件（4）包裹于导热板（2）上；所述底板（1）上设置有若干个与IGBT芯片和二极管芯片对应的凸台（101）；所述凸台（101）的面积按照芯片的大小和形状予以放大，热扩展角度取45度，在芯片尺寸基础上放大0.5mm～2mm；所述导热板（2）上开设有若干个孔，所述孔用来安装发热件（3）。

2.根据权利要求1所述的模拟IGBT元件发热的装置，其特征在于，所述孔的方向为沿着底板（1）的长度方向，或者所述孔的方向为沿着底板（1）的宽度方向。

3.根据权利要求1所述的模拟IGBT元件发热的装置，其特征在于，所述导热板（2）上设有楔形槽（201），所述隔热板（5）上设置有与楔形槽（201）配合的楔形凸台。

4.根据权利要求1或2或3所述的模拟IGBT元件发热的装置，其特征在于，所述发热件（3）为电热管或发热棒，所述电热管或发热棒的引线连接至电源，采用电压传感器、电流传感器实时采集电路中电压、电流信号，通过智能仪表传输到工控机；再通过控制电源电压的方式控制电热管或发热棒的功率，控制电路中设有功率因数表用以修正电热管或发热棒的发热量计算值。

5.根据权利要求1或2或3所述的模拟IGBT元件发热的装置，其特征在于，所述保温件（4）为保温棉。

6.根据权利要求1或2或3所述的模拟IGBT元件发热的装置，其特征在于，所述隔热板（5）的上方设置垫板（6）并与连接件（7）形成配合用以连接散热器。

7.根据权利要求6所述的模拟IGBT元件发热的装置，其特征在于，所述连接件（7）为螺栓组件。