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1、共享知识分享快乐人生不能留遗憾第 8 章 损耗与散热设计开关电源是功率设备，功率元器件损耗大，损耗引起发热，导致元器件温度升高，为了使元器件温度不超过最高允许温度，必须将元器件的热量传输出去，需要散热器和良好的散热措施，设备的体积重量受到损耗限制。同时，输出一定功率时损耗大，也意味着效率低。8.1 热传输电子元器件功率损耗以热的形式表现出来，热能积累增加元器件内部结构温度，元器件内部温度受最高允许温度限制，必须将内部热量散发到环境中，热量通过传导、对流和辐射传输。当损耗功率与耗散到环境的功率相等时，内部温度达到稳态。1. 传导传导 是热能从一个质点传到下一个质点，传热的质点保持它原来l的位置的
2、传输过程，如图8-1 固体内的热传输。热量从表面温度为T1的一端全部传递到温度为T2 的另一端，单位时间传递的能量，即功A率表示为PT1PA(T1T2 )T（ 8-1）能量流（功率）T2lRT图 8-1 热隔离的棒能量传输式中RTl（ 8-2）A称为热阻（ / W ）； l 热导体传输路径长度(m) ； A垂直于热传输路径的导体截面积(m2)； 棒材料的热导率 (W/m )，含90%铝的热导率为220W/ m，几种材料的热导率如表8-1 所示 ;T T1 T2温度差 ()。表 8-1材 料空气铝氧化铝氧化铍铜环氧树脂铁金云 母硅橡胶(W/m )2.410-2225202084010.37133
3、90.430.26例：氧化铝绝缘垫片厚度为0.5mm，截面积2.5cm2，求热阻。解：由表 8-1 查得 20 W/m ，根据式（8-2）得到Rt0.510 30.1 / W202.510 4式（ 8-1）类似电路中欧姆定律：功率P 相当于电路中电流，温度差 ; T 相当于电路中电压。半导体结的热量传输到周围空气必然经过几种不同材料传输，每种材料有自己的热导率，截面积和长度，多层材料的热传输可以建立热电模拟的热路图。图 8-2 是功率器件由硅芯片的热传到环境的热通路 (a)和等效热路 (b)。由结到环境的总热阻为TsTaTcTj热流 P(a)RjsRjcRcsRsa（ 8-3）RjcRcsRs
4、aTjTcTs+上式右边前两个热阻可以按式（8-2）计算，最后一项的热阻在以PT a后介绍的方法计算。如果功率器件损耗功率为P，则结温为-TjP(RjcRcsRsa ) Ta（ 8-4）(b)图 8-2 功率器件热传输和等效热路图卑微如蝼蚁、坚强似大象共享知识分享快乐式中 Rjc， Rcs 及 Rsa分别表示芯片结到管壳，管壳到散热器和散热器到环境热阻。除了散热器到环境的热阻 Rsa 外，其余两个热阻可以按式(8-2)计算。从式（ 8-4）可见，要使结温Tj 不超过最高允许温度TjM ，应当器件降低功耗P，或者减少热阻。一定的封装，决定了管壳和芯片结构，也就决定了结到壳的内热阻Rjc。如果希望
5、Rjc 小，热传输路径 l要尽可能短，但受到器件承受的电压、机械平整度等限制；还要使传输截面积尽可能大，但这受到例如寄生电容等限制。封装一般采用高热导率材料减小热阻。高功率器件直接安装在空气冷却，甚至水冷散热器上。尽量减少结到壳热阻Rjc，一般可以小于 1W/ 。手册中常给出结到壳热阻Rjc ，最高允许结温T jM 和最大允许损耗 PM ，或最高允许结温T jM 最大允许功率损耗 PM 和允许壳温 Tc。如果是后者，根据已知数据就可以知道结到壳热阻TjMTc（ 8-5）RjcW/ PM壳到散热器通常有一层绝缘导热垫片，绝缘垫片可以用氧化铝、氧化铍、云母或其他绝缘导热材料。壳到散热器热阻Rcs
6、包含两部分：绝缘垫片热阻和接触热阻。绝缘导热垫片热阻可按式（8-2）计算。例如用于TO 3 封装的 75 m 绝缘云母片热阻大约 1.3 / W 。但是，固体表面再好精加工，表面总是点接触，存在很大接触热阻，应当施加适当的装配压力，增大接触面，即便如此，表面之间仍有空气隙存在，对热阻影响很大。太大的压力会使器件内部结构变形，可能适得其反,一般使用力矩板手保证确定的压力，又不致器件安装变形。同时，材料接触表面应当平整、无瘤、坑，并在适当压力的前提下，绝缘垫片涂有混合导热良好氧化锌的硅脂，驱赶表面间空气，使接触热阻下降50% 30%。TO3 封装当涂有硅脂或导热材料时热阻大约0.4 / W 。如果
7、应用复合材料过多，层太厚将增加热阻。接触热阻可按下式计算RcsW/ (8-6)AA 为接触表面积， cm2；金属对金属为1,金属对阳极化为 2；如果有硅脂分别为0.5 和 1.4。2. 瞬态热抗众所周知，物体在传输热量之前，必须吸收一定的热能加热本身到高于环境的相应温度；而当热源去掉后，这部分热能经过一定时间释放掉，温度降低到环境温度。这相似电容的充电和放电效应。在热电模拟等效热路中引入热容的概念。在电源开机、关机和瞬态过载等情况下，功率器件往往Tj(t) RtP(t)在瞬间损耗（浪涌）大大超过平均损耗，引起芯片结温瞬间Po升高，结温是否超过最大允许结温，这与功率浪涌持续时间Cs以及器件的热特
8、性有关。在瞬态情况下，热传输的热路中必P(t)须考虑热容 Cs。材料的单位体积（或质量）的热容定义为热Tat能 Q 相对于材料温度T 的变化率，即(a)(b)dQ / dTCv其中 Cv 是单位体积热容，每度（K ）单位体积的焦耳，或称为比热。对于矩形截面A 材料，长度（热传输方向）d的热容 Cs如下CsCv Ad（ 8-7）结温瞬态特性类似于电力传输线，等效电路方程的解很复杂。通过热电模拟可以得到方程的近似解，稳态模型如图(图 8-3(a)，考虑热容的等效热路如图8-3(a)所示，短时间温升Tj (t ) P0 4t / RtC s1 2Ta(8-8)ZtRt0t(c)图 8-3 等效热路瞬
9、态热抗 (a)，阶跃输入 (b)和瞬态热阻抗响应8-2 所示。如果输入功率P(t) 是阶跃函数Tj(t)为式中 P0 为功率阶跃幅值，并假定t 小于热时间常数近似解为卑微如蝼蚁、坚强似大象共享知识分享快乐Rt C s / 4(8-9)如果时间大于时间常数，Tj 接近稳态值P0Rt T a。图的纵轴 T j/P0 是瞬态热阻抗Zt(t) Tj(t)/P0。但是，热传输相似于电网传输线，不是集中参数，热时间常数不能简单使用类似电路中的RC 时间常数。式 (8-9) 是时间小于时的级数展开项，是t 的 1/2 次方，而不是简单的指数关系。在实际器件中，热传输路径中不是一种材料，而是多种材料的多层结构
10、，实际热系统是非线性高阶系统。制造厂在功率器件手册中常提供如图8-4 所示的瞬态阻抗曲线。如果输入功率的时间函数已知，可以利用热抗曲线预计结温：Tj (t ) P(t )Z (t) Ta（8-10）cjtZ（抗阻热单脉冲注：（热抗）占空比峰值 TjPDM Z tjc Tc矩形脉冲宽度 (s)图 8-4 IRFI4905 MOSFET结到壳最大瞬态热抗图(International Rectifier -IR)例如， IRFI4905 通过启动时瞬时矩形功率脉冲150W，脉冲宽度20 s，占空比D 0.2，查得 Z tjc=0.53W/ , 环境温度 35 于是Tj1500.5335114.5
11、实际上，功率脉冲一般不是矩形的，可以用幅值相等、能量（功率时间积分）相等原则求出脉冲宽度。3. 散热器在式 (8-3) 中，我们已经解决了Rjc 和 Rcs，前者由器件厂商提供，后者可以根据绝缘要求选取适当的材料计算求得。在一定的损耗功率 P 时，要选择恰当的散热器，保证器件结温不超过最大允许结温。目前使用的散热器平板、叉指型和翼片铝型材。自然冷却散热器翼片之间的距离较大，至少应当1015mm 。散热器表面黑色阳极化使热阻减少25%，但成本增加。自然对流冷却热时间常数在415 分钟。如果加风扇，热阻下降，使得散热器小而轻，同时也减少热容Cs。对于强迫风冷散热器大大小于自然对流冷却散热器。强迫风
12、冷散热器的热时间常数典型值可以小于1 分钟。用于强迫风冷散热器叶片之间距离可以为几个 mm。在高功率定额，采用热管技术或油冷、水冷进一步改善热传导。散热器大小与器件可以允许的最高结温有关。对于最坏情况设计，规定了最高结温T jM ，最高环境温度 Tamax，最高工作电压和最大通态电流。如果最大占空比、最大通态电流和最大通态电阻已知（由手册可以查得 T jM 和最大电流）就可以计算功率器件中最大功率损耗。如果器件结温 125， TO 3 晶体管，其功耗为 26W ，制造厂提供 Rjc 0.9 / W 。使用带有硅脂的 75 m 云母垫片，其综合热阻为0.4 / W 。散热器安装处最坏环境温度是55，根据式（8-4）求得散热器到环境的热阻为卑微如蝼蚁、坚强似大象共享知识分享快乐Rt125 55 (0.9 0.4) 1.39 / W26手册中常给出铝型材单位长度热阻，由计算出的散热器热阻求出需要该散热器型材的长度。4. 对流和
