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1、. .半导体功率器件的散热计算晨怡热管2006-12-31 0:58:06【摘要】 本文通过对半导体功率器件发热及传热机理的讨论，导出了半导体功率器件的散热计算方法。【关键词】 半导体功率器件 功耗 发热 热阻 散热器 强制冷却一、半导体功率器件的类型和功耗特点一般地说，半导体功率器件是指耗散功率在1瓦或以上的半导体器件。按照半导体功率器件的运用方式，可分为半导体功率放大器件和半导体功率开关器件。1、半导体功率放大器件半导体功率放大器又因其放大电路的类型分为甲类放大器、乙类推挽放大器、甲乙类推挽放大器和丙类放大器。甲类放大器的理论效率只有50%，实际运用时那么只有30%左右；乙类推挽放大器的理
2、论效率也只有78.5%，实际运用时那么只有60%左右；甲乙类推挽放大器和丙类放大器的效率介乎甲类放大器和乙类推挽放大器之间。也就是说，半导体功率放大器件从电源中取用的功率只有一局部作为有用功率输送到负载上去，其余的功率那么消耗在半导体功率放大器件上，半导体功率放大器在工作时消耗在半导体功率放大器件上的功率称为半导体功率放大器件的功耗。半导体功率放大器件的功耗为其集电极 发射极之间的电压降乘以集电极电流： P=UI式11式中P为半导体功率放大器件的功耗单位W。 U为半导体功率放大器件集电极发射极之间的电压降单位V。 I为半导体功率放大器件的集电极电流单位A。线性调整型直流稳压电源中的调整管是工作
3、在放大状态的半导体功率放大器件，所以其功耗的计算和半导体功率放大器件的功耗计算是相似的。例如一个集成三端稳压器，其功耗就是：输入端输出端电压差乘以输出电流。2、半导体功率开关器件半导体功率开关器件例如晶体闸流管、开关三极管等。它们的工作状态只有两个：关断截止或导通饱和。理想的开关器件在关断截止时，其两端的电压较高，但电流为零，所以功耗为零；导通饱和时流过它的电流较大，但其两端的电压降为零，所以功耗也为零。也就是说，理想的开关器件的理论效率为100%无损耗。但实际的半导体功率开关器件在关断截止时，其两端的电压最高，但电流不为零，总有一定的反向穿透电流I，那么其关断截止时的功耗为：P= UI式12
4、式中：P为半导体功率开关器件在关断时的功耗单位W。 U为半导体功率开关器件集电极发射极之间或阳极阴极之间的的电压单位V。 I为半导体功率开关器件的反向穿透电流单位A。由于目前常用的半导体功率开关器件大多数是使用硅材料制造的，其反向穿透电流一般为微安级，所以半导体功率开关器件在关断时的功耗实际上是很小的，一般为毫瓦级。实际的半导体功率开关器件在导通饱和时，其两端的电压很低，称为导通压降饱和压降，对于常用的硅器件大约为0.3伏，但由于导通电流一般很大，约为几安到几十安，甚至几百安，所以其导通饱和时的功耗一般为几瓦到几十瓦。实际的半导体功率开关器件在导通饱和时，其功耗为：P= UI式13式中：P为半
5、导体功率开关器件在导通饱和时的功耗单位W。 U为半导体功率开关器件导通压降或饱和压降单位V。 I为半导体功率开关器件的导通电流或饱和电流单位A。另外，实际的半导体功率开关器件在导通饱和和关断截止状态之间转换时必然要经过一个中间过程，这个过程的电压和电流均较大，如果开关器件的开关特性良好，那么这个过程时间很短，功耗较小；如果开关器件的开关特性较差，那么这个过程时间较长，功耗较大。以上三个过程的功耗之和，就是实际的半导体功率开关器件在一个工作周期内的功耗。综上所述，无论是半导体功率放大器件还是半导体功率开关器件在工作时都不可防止地产生功率损耗，功耗的能量将以热量的形式散发出来，使半导体器件的温度升
6、高。二、功耗、热阻和温升如前所述，半导体功率器件的管耗将会使半导体器件的温度升高。当半导体器件的温度升高到一定值时，其内部构造，即PN结将破坏而使器件失效。例如，对于锗材料器件，结温度到达约90时PN结将会破坏，而对于硅材料器件，这个温度大约是200。为了使半导体功率器件能正常工作，锗材料器件的极限工作温度一般规定为80，而硅材料器件的极限工作温度一般规定为150。如果能把半导体功率器件工作时发出的热量及时散发到周围环境中去，那么其工作温度就可能维持在极限工作温度以下，器件就可以处于平安的温度环境之中。对于不同散热条件的器件，消耗同样功率时的温升是不同的。我们把每单位功耗下器件系统的温升定义为
7、热阻，一般用符号R表示，其单位是W/。器件系统的热阻等于其管芯的热量传递到周围环境的传热途径上所有环节的热阻的总和，即：R=R+R+R式21式中：R器件外壳的总热阻R管芯到外壳的热阻R外壳到器件外表的热阻R器件外表到周围环境的热阻图2 1为半导体功率器件安装的示意图图2 1 半导体功率器件安装示意图图2 2为半导体功率器件的传热途径和热阻示意图图2 2 半导体功率器件的传热途径和热阻示意图在热传导过程中，功耗温升与热阻之间有以下关系： P= 式22式中： P半导体器件的功耗，单位：WT 芯片与环境的温度差，单位：R在T的温差下，传热系统各环节热阻的总和，单位：/W下面把式21中的各项热阻作如下
8、说明：1、R器件外壳的总热阻该项热阻主要由整个器件包括管芯、底板、管壳的材料、构造所决定。表2 1给出了几种不同封装的半导体功率器件的R值。表2 1几种主要外壳封装的半导体功率器件的R值。封装型号铜质F1铜质F12B 3DS 7S 6R50 /W40 /W210 /W63 /W79 /W2、R管芯到外壳的热阻该项热阻主要与器件的底座的材料和尺寸有关，铜底座和厚板构造者热阻较小。表2 2给出了几种不同封装的半导体功率器件的R值。表2 2几种主要外壳封装的半导体功率器件的R值。封装型号F1F12B 3DS 7S 6R3.5 /W3 /W15 /W4 /W10 /W3、R外壳到器件外表的热阻该项热阻
9、主要由器件外壳的材质和厚度和封装方式决定。铜质厚板的器件热阻最小，铁质薄板的次之，塑料封装的热阻最大。该项热阻也和是否装有散热板以及管壳与散热板之间的导热介质有关。表2 3给出了几种不同封装和不同导热介质的半导体功率器件的R值。表2 3几种主要外壳封装的半导体功率器件的R值。封装型号F1F12B 3DS 7S 6无散热板3 /W3 /W11 /W3 /W7.5 /W散热板涂硅脂1 /W1 /W1 /W散热板垫云母片1.8 /W1.8 /W1.8 /W4、散热器的热阻R该项热阻主要由器件的散热系统的材料和构造有关。铜质的散热器热阻最小，铝质散热器热阻也较小，铁质散热器的热阻较大，而不外加散热器时
10、热阻最大；采用自然空气冷却时的热阻较大，采用强制风冷时的热阻较小。散热器的的外表积，即散热器与空气直接接触的面积是决定散热器热阻的主要参数。此外，散热器的安装位置对热阻也有影响。例如水平放置的平板散热器的热阻比垂直放置的要大。铝质平板散热器的热阻可参考表2 4表2 4 铝质平板散热器的热阻散热器外表积cm100200300400500600以上热阻R4.5 6 /W3.5 4.5 /W3 3.5/W2.5 3 /W2 2.5 /W1.5 2.5 /W注：散热器垂直放置时取下限、水平放置时取上限。铝质平板散热器的热阻也可参考图2 3选取图2 3 铝质平板散热器的热阻三、计算实例现有一只S 7封装
11、的硅功率半导体器件，查器件手册得知其极限运用温度T=150，现根据其工作条件决定工作环境温度T=70。 1、求它在不带散热器时的极限功耗。 2、假设它在实际工作时的功耗为750mw，极限运用温度T为125，求它在不带散热器时的极限环境温度。 3、假设要求它的实际功耗为5.5W，允许的最高器件工作温度为100，允许最高工作环境温度为40。问该器件正常工作时是否需要加装散热器？如果要加装平板散热器，又要求散热器垂直放置，求所需的散热器面积。解：1、查表表2 1，得S 7封装的器件的热阻R=63 /W代入式2 2： P= =1.27(W)也就是说，S 7封装的硅功率半导体器件不带散热器在极限运用温度
12、为T=150，工作环境温度T=70时的允许功耗不得超过1.27W。2、假设它在实际工作时的功耗为750mw，极限运用温度T仍为150，据式2 2： P= =那么： T=T RP =125 630.75 =77.753、假设要求它的实际功耗为5.5W，这已经超出了它在不带散热器时的极限功耗，所以器件必须加装散热器。加装了散热器之后，总热阻为管芯到外壳的热阻R、外壳到器件外表，即到散热器的热阻R及散热器热阻R之和，那么式2 2应改写为： P=由表2 2、表2 3、分别查得S 7封装的器件的R=4 /W、R=3 /W，把P=5.5W、R=4 /W、R=3 /W代入上式得：散热器热阻R应为： R= R
13、 R = 4 3 =3.9/W查表2 4或图2 3均可得铝平板散热器的面积S=200cm厚1.5mm。四、工艺问题在安装散热器时还应注意以下几点工艺问题:：1、散热器与器件的接触面应平整，在整个接触面内测量，平面度误差不大于0.1mm。2、在器件与散热器接触面之间最好涂一层硅脂或凡士林，以增加导热性能，减少热阻。3、一般用M3或M4的螺拴将器件紧固在散热器上，相应的紧固扭矩大约是3 4Nm。扭矩太小会增加热阻，扭矩太大那么会使螺拴螺母系统产生非弹性变形，反而减小紧固力，甚至使螺拴螺母系统滑扣而失效。4、散热器经外表电氧化处理后外表呈黑色，可提高散热效果。5、大局部的功率半导体器件的金属外壳同时作为一个电极使用，当器件的金属外壳对应的电极要求对散热器有电绝缘要求时，应使用专用的云母或聚脂绝缘垫片和绝缘垫圈紧固器件，并应在安装后检查确保绝缘良好。6、如果设备的构造紧凑，空间位置不允许安装足够尺寸的散热器，或器件周围的空间较小，不能保证足够的空气对流，那么应考虑使用强制冷却的方法，即在设备内安装冷却风扇。使用体积较小而面积较大的翅式散热器可得到比平板散热器更好的散热效果。一种内部
