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1、功率器件的散热计算及散热器选择HeatDispersionCalculationForPowerDevicesandRadiatorsSelection功率管的散热基础理论功率管是电路中最容易受到损坏的器件-损坏的人部分原因是由丁管子的实际耗散功率超过了额定数值-那么它的额定功耗值是怎样确定的，还有没有潜力可挖呢?让我们来分析一下.晶体管耗散功率的人小取决丁管子内部结温Tj.当Tj超过允许值后，电流将急剧増人而使晶体管烧毁-硅管允许结温一般是125200C,错管为85C左右(貝体标准在产品手册中给出)耗散功率是指在一定条件下使结温不超过最大允许值时的电流与电压乘积管子消耗的功率越人，结温越高-
2、要保证结温不超过允许低就必须将产生热散发岀去做热条件越好侧对应丁湘同结温允许的管耗越人，输出也就越人一因此功率管的散热问题是至关重要的热阻为了描述器件的散热情况，引入热阻的概念-电流流过电阻R，电阻消耗功率RI，W(每秒RI，焦耳能最)，导致电阻温度上升。用隔热材料覆盖电阻，电阻产生的热量不能散发时，则电阻温度随着时间增加而上升，直至电阻烧坏。一般而言，二物体间的温差越人，温度高的物体向低的物体移动鼠增多。某电阻置于空气中(如图6.33所示)，由于流过电流向电阻提供功率，这功率变为热能。在使电阻温度生高的同时，部分热能散发于空气中。开始何电流流过电阻时，电阻温度不高，因此散发的热也小，电阻温度
3、逐渐上升，散发的热量也上升与用电阻表示对电流的阻力类似-热阻表示热传输时所受的阻力即由U1-U2=IXR可有类似的关系T1-T2=PXRt(1-1)其4*T1-T2为两点温度Z差,P为传输的热功率,Rt是传输单位功率时温度变化度数,单位是C/W.RT越人表明相同温差卜散发的热能越小-于是结温Tj,坏境温度Ta,管耗PCM及管子的等效热阻RtZ间有以卜的关系Tj-Ta=PcMXRT(1-2)若坏境温度一定(常以25C为基准),Tj己定,则管子等效热阻越小，管耗Pcm就越可以提高-卜面我们來看看管子的散热途径及等效热阻的情况.以晶体管为例图l-l(a)是晶体管散热的示意图从管芯(J-Jiuicti
4、on)到坏境(A-Ainbient)Z间有几条散热途径：管芯(J)到外壳(C-Case),通过外壳直接向坏境(A)散热;或通过散热器(S)(中间何界而)向坏境散热-不同的管芯(指材料、工艺不同)本身的散热情况不同，或者说热阻不同外壳、散热器等的热阻也各不相同我们可用一个等效电路來模拟这个散热情况，如图l-l(b)所示散发的热能Pc表示为电流的形式;两点的温度分别为结温Tj,和坏境温度Ta;结到外壳的热租用Rjc表示，外壳到环境用Rea表示,外壳到散热器用Res表示，散热器到坏境用Rsa表示，加散热器后有两条并存的散热途径-坏境A外壳C管芯J环境A散热器sA(b)图1-1晶体管散热情况分析(a)
5、晶体管散热示意图(b)散热等效电路对于小功率管，一般不用散热器,则管子的等效热阻为Rt=Rjc+Rea(1-3)而人功率管加散热器后，一般总有Rcs+RsaWRca,则RtRjc+Rcs+Rsa(1-4)不同的管子Rjc不同，比如MJ21195的Rjc=0.7CAV,而MJE15034的Rjc=2.5C/W.Rea与管壳的材料和几何尺寸有关-Rsa与散热器的材料(铝、铜等)及散热面积等仃关并且发现将它垂直放置比水平放置散热效果好，表面钝化涂黑又可改进热幅谢,使热阻进一步减少等.图1-2给出二条散热而积与热阻的关系曲线以机壳、底座为散热而积只能算一个而.Res是管壳与散热器界面的热阻-可分为接触
6、热阻和绝缘层热阻-接触热阻取决丁接触面的情况,如而积人小、压紧程度等-若在界而涂导热性能较好的硅脂可减少热阻-当需要与散热器绝缘时（如利用外壳、底座进行散热的情况）,垫入绝缘层也会形成热阻-绝缘层可以是0.05-0.Inrni厚的云母片或采用阳极氧化法在表面形成的绝缘层.若已知管子的总热阻为Rt,则在坏境温度为Ta时允许的最人耗散功率可由式（1-2）得出-在产品手册上给出的管耗只在指定散热器（材料、尺寸一定）及一定坏境温度卜的最人允许值-若散热条件发生变化,则允许的管耗也应随Z改变一对丁其它类型的器件（包括集成功放等），耗散功率和散热的关系均与此类似-因此在使用中必须注意坏境温度及合适的散热器
7、（同时要注意器件与散热器的压紧情况等），才能获得所需的功率-实际产品设计的散热计算目前的电子产品主要采用贴片式封装器件，但人功率器件及一些功率模块仍然何不少用穿孔式封装，这主要是可方便地安装在散热器上，便J：散热。进行人功率器件及功率模块的散热计算，其目的是在确定的散热条件卜选择合适的散热器，以保证器件或模块安全、可靠地工作。任何器件在工作时都何一定的损耗，人部分的损耗变成热量。小功率器件损耗小，无盂散热装置。而人功率器件损耗人,若不采取散热措施，则管芯的温度可达到或超过允许的结温，器件将受到损坏。因此必须加散热装置，最常用的就是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热最散到周用空间，必要时再
8、加上散热风扇，以一定的风速加强冷却散热（风冷）。在某些人型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板（水冷），它有更好的散热效果。散热计算就是在一定的工作条件卜，通过计算来确定合适的散热措施及散热器。功率器件安装在散热器上。它的主要热流方向是由管芯传到器件的管壳，经散热器将热量散到周围空间。若没有风扇以一定风速冷却，这称为自然冷却或自然对流散热热最在传递过程有一定热阻。由器件管芯传到器件管壳的热阻为Rjc,器件管壳与散热器Z间的热阻为Res,散热器将热量散到周用空间的热阻为Rsa,总的热阻Rja=Rjc+Rcs+Rsao若器件的最人功率损耗为Pd，并己知器件允许的结温为Tj、坏境温度为Ta，可以按下
9、式求出允许的总热阻RjaoRja（Tj-TA）/PD则计算最人允许的散热器到坏境温度的热阻Rsa为Rsa（Tj-TA）/over（Pd）-（RJc+Rcs）出于为设计留苗余地的考虑，一般设Tj为125C。坏境温度也要考虑较坏的情况，一般设Ta=40C6（TCRjc的人小与管芯的尺寸封装结构何关，一般可以从器件的数据资料中找到。Res的人小与安装技术及器件的封装有关。如果器件采用导热汕脂或导热垫后，再与散热器安装，其Res典型值为0.10-2C/W;若器件底而不绝缘，需要另外加云母片绝缘，则其Res可达1C/W。Pd为实际的最人损耗功率，可根据不同器件的工作条件计算而得。这样，Rsa可以计算出來
10、，根据计算的Rsa值可选合适的散热器了。关于散热器选择首先确定要散热的电子元器件，明确其工作参数，工作条件，尺寸人小，安装方式，选择散热器的底板人小比元器件安装而略人一些即可，因为安装空河的限制，散热器主耍依靠与空气对流來散热，超出与元器件接触而的散热器，其散热效杲随与元器件距离的増加而递减。対丁单肋散热器，如果所需散热器的宽度在表中空缺，可选择两倍或三倍宽度的散热器截断即可。关于散热器的计算方法参数定义：Rt总内阻，/W；Rjc-一半导体器件内热阻，AV；Res-半导体器件与散热器界而间的界面热阻，AV；Rsa散热器热阻，/w：Tj一半导体器件结温，；Tc半导体器件壳温，；Ts散热器温度，；
11、Ta-坏境温度，：Pd-半导体器件使用功率，W：ATsa散热器温升，;散热计算公式：Rsa=（TjTa）/Pd-Rjc一Res散热器热阻Rsa是选择散热器的主要依据。Tj和Rjc是半导体器件提供的参数，Pd是设计要求的参数，Res可从热设计专业书籍中査表。（1）计算总热阻Rt：Rt=（Ijmax-Ta）/Pd（2）计算散热器热阻Rsa或温升ATsa：Rsa=RjRjcResATsa=RsaxpD（3）确定散热器按照散热器的工作条件（自然冷却或强迫风冷），根据Rsa或ATsa和Pd选择散热器，查所选散热器的散热曲线（Rsa曲线或ATsa线），曲线上查出的值小于计算值时，就找到了合适的散热器。対丁
12、型材散热器，当无法找到热阻曲线或温升曲线时，可以按以卜方法确定：按上述公式求出散热器温升ATsa,然后计算散热器的综合换热系数a：a=7.2yl|/2|/3（Ts-TJ/20式中：中1描写散热器L/b对a的影响，（L为散热器的长度，b为两肋片的间距）；中2描写散热器对a的影响，（h为散热器肋片的高度）；中3描写散热器宽度尺寸W增加时对a的影响；収（Ts-Ta）/20描写散热器表面最高温度对周围坏境的温升対a的影响；以上参数可以查表得到。计算两肋片间的表面所散的功率q0q0=axATsax（2h+b）xL根据单面带肋或双面带肋散热器的肋片数计算散热功率PH单面肋片：P=nqO双面肋片：P=2nq
13、0若PHPd时则能满足要求。散热器简介小型散热器（或称散热片）由铝合金板料经冲压工艺及表而处理制成，而人型散热器由铝合金挤压形成型材，再经机械加工及表而处理制成。它们何各种形状及尺寸供不同器件安装及不同功耗的器件选用。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。散热器的表而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1015%,在通风冷却卜可提高3%,电泳涂漆可耐压500800V。散热器厂家刈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件卜的不同热阻值。例题分析例1.1一功率运算放人器PA02(AP
14、EX公司产品)作低频功放，其电路如图1所示。器件为8引脚TO-3金属外壳封装。器件工作条件如卜:工作电压Vs为18：负载阻抗Rl为4,工作频率直流条件卜可到5kHz,坏境温度设为40C,采用自然冷却。查PA02器件资料可知:静态电流Iq典型值为27mA,最人值为40mA;器件的Rjc(从管芯到外壳)典型值为2.4C/W,最人值为2.6C/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|),Pdout=Vs2/4Rl代入上式得：Pd=Iq(s+|-Vs|)+Vs2/4RL=37mA(36182V/4x4=21
15、.5821.6W式中静态电流取37mA。散热器热阻Rsa计算:Rsa(Tj-TA/overPd)-(Rjc+Rcs)为留有余量，Tj设125C,Ta设为40C,Rjc取最人值(Rjc=2-6C/W),Res取0.2C/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：Rsa1250C-4OCover21.6W-(2.6C/W-K).2，CAV)1.135oCAVHSO4在自然对流时热阻为0.95C/W,可满足散热要求。注意事项1-在计算中不能取器件数据资料中的最人功耗值，而要根据实际条件來计算;数据资料中的最人结温一般为150C,在设计中留有余地取125C,坏境温度也不能取25C(要考虑夏天及机箱的实际温度)。2散热器的安装要考虑利于散热的方向，并且耍在机箱或机壳上相应的位置开散热孔(使冷空气从底部进入，热空气从顶部散出)。3若器件的外壳为一电极，则安装而不绝缘(与内部电路不绝缘)。安装时必须采用云母垫片來绝缘，以防止短路。4器件的引脚要穿过散热器，在散热器上要钻孔。为防止引脚与孔
