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1、-功率器件热设计及散热计算-第 4 页功率器件热设计及散热计算引言当前，电子设备的主要失效形式就是热失效。据统计，电子设备的失效有55是温度超过规定值引起的，随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长。所以，功率器件热设计是电子设备结构设计中不可忽略的一个环节，直接决定了产品的成功与否，良好的热设计是保证设备运行稳定可靠的基础。功率器件热性能的主要参数功率器件受到的热应力可来自器件内部，也可来自器件外部。若器件的散热能力有限，则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，使得器件可靠性降低，无法安全工作。表征功率器件热能力的参数主要有结温和热阻。器件的有源区可以是结型器件(如晶体管
2、)的PN结区、场效应器件的沟道区，也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等。当结温Tj高于周围环境温度Ta时，热量通过温差形成扩散热流，由芯片通过管壳向外散发，散发出的热量随着温差(Tj-Ta)的增大而增大。为了保证器件能够长期正常工作，必须规定一个最高允许结温 Tj max。Tj max的大小是根据器件的芯片材料、封装材料和可靠性要求确定的。功率器件的散热能力通常用热阻表征，记为Rt，热阻越大，则散热能力越差。热阻又分为内热阻和外热阻：内热阻是器件自身固有的热阻，与管芯、外壳材料的导热率、厚度和截面积以及加工工艺等有关；外热阻则与管壳封装的形式有关。一般来说，管壳面积越大，则外热阻越小。金属管
3、壳的外热阻明显低于塑封管壳的外热阻。当功率器件的功率耗散达到一定程度时，器件的结温升高，系统的可靠性降低，为了提高可靠性，应进行功率器件的热设计。功率器件热设计功率器件热设计主要是防止器件出现过热或温度交变引起的热失效，可分为器件内部芯片的热设计、封装的热设计和管壳的热设计以及功率器件实际使用中的热设计。对于一般的功率器件，只需要考虑器件内部、封装和管壳的热设计，而当功耗较大时，则需要安装合适的散热器，通过其有效散热，保证器件结温在安全结温之内正常可靠的工作。散热计算最常用的散热方法是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间，必要时再加上散热风扇，以一定的风速加强散热。在某些大型
4、设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板，它有更好的散热效果。散热计算就是在一定的工作条件下，通过计算来确定合适的散热措施及散热器。热量在传递过程中有一定热阻。由器件管芯传到器件底部的热阻为Rjc，器件底部与散热器之间的热阻为Rcs，散热器将热量散到周围空间的热阻为Rsa，总的热阻Rja=Rjc+Rcs+Rsa。若器件的最大功率损耗为Pd，并已知器件允许的结温为Tj、环境温度为Ta，可以按下式求出允许的总热阻Rja。Rja ≤(Tj-Ta)/Pd则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻Rsa为：Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)为设计考虑，一般设Tj为125。在较坏的环境
5、温度情况下，一般设Ta=4060。Rjc的大小与管芯的尺寸和封装结构有关，一般可以从器件的数据资料中找到。Rcs的大小与安装技术及器件的封装有关。如果器件采用导热油脂或导热垫后，再与散热器安装，其Rcs典型值为0.1/W0.2/W；若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘，则其Rcs可达1/W。Pd为实际的最大损耗功率，可根据不同器件的工作条件计算而得。这样，Rsa可以计算出来，根据计算的Rsa值可选合适的散热器了。计算实例一功率运算放大器PA02作低频功放，器件为8引脚TO-3金属外壳封装。器件工作条件如下：工作电压Vs为18V，负载阻抗RL为4剑绷魈跫鹿髌德士纱?kHz，环境温度设为40，采
6、用自然冷却。查PA02器件资料可知：静态电流Iq典型值为27mA，最大值为40mA；器件的Rjc(从管芯到外壳)典型值为2.4/W，最大值为2.6/W。器件的功耗为Pd：Pd=Pdq+Pdout式中Pdq为器件内部电路的功耗，Pdout为输出功率的功耗。Pdq=Iq(Vs+|-Vs|)，PdoutVs2/(4 RL)，代入上式PdIq(Vs+|-Vs|)Vs2/(4 RL)0.037×(18+18)182/(4×4)21.6 W式中，静态电流取37mA。散热器热阻Rsa计算：Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)为留有余量，Tj设为125，Ta设为40
7、，Rjc取最大值(Rjc=2.6/W)，Rcs取0.2/W(PA02直接安装在散热器上，中间有导热油脂)。将上述数据代入公式得：Rsa≤(125-40)/21.6-(2.6+0.2)≤1.135/WHSO4在自然对流时热阻为0.95/W，可满足散热要求。散热器的选取散热器一般是标准件，也可提供型材，由用户根据要求切割成一定长度而制成非标准的散热器。散热器的表面处理有电泳涂漆或黑色氧极化处理，其目的是提高散热效率及绝缘性能。在自然冷却下可提高10%15%，在通风冷却下可提高3%，电泳涂漆可耐压500V800V。散热器厂家对不同型号的散热器给出热阻值或给出有关曲线，并且给出在不同散热条
8、件下的不同热阻值。功率器件使用散热器是要控制功率器件的温度，尤其是结温Tj，使其低于功率器件正常工作的安全结温，从而提高功率器件的可靠性。常规散热器趋向标准化、系列化、通用化，而新产品则向低热阻、多功能、体积小、质量轻、适用于自动化生产与安装等方向发展。合理地选用、设计散热器，能有效降低功率器件的结温，提高功率器件的可靠性。各种功率器件的内热阻不同，安装散热器时由于接触面和安装力矩的不同，会导致功率器件与散热器之间的接触热阻不同。选择散热器的主要依据是散热器热阻Rtf。在不同的环境条件下，功率器件的散热情况也不同。因此，选择合适的散热器还要考虑环境因素、散热器与功率器件的匹配情况以及整个电子设
9、备的体积、质量等因素。首先根据功率器件正常工作时的性能参数和环境参数，计算功率器件结温是否工作在安全结温之内，判断是否需要安装散热器，如需安装则计算相应的散热器热阻，初选一散热器；重新计算功率器件结温，判断功率器件结温是否在安全结温范围之内，从而判断所选散热器是否满足要求；对于符合要求的散热器，应根据实际工程需要进行优化设计。结语通过功率器件发热原理的分析和散热计算，可以指导设计散热方式和散热器的选择，保证了功率器件工作在安全的温度范围内，减少了质量问题，提高了电子产品的可靠性。电子设备的可靠性还同元器件、结构、装配、工艺、加工质量等有关，在实际工程应用上，还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计，进一步提高电子设备的可靠性。