半導(dǎo)體功率器件的散熱計(jì)算

1、半導(dǎo)體功率器件的散熱計(jì)算晨怡熱管 2006-12-31 0:58:06 【摘要】 本文通過對半導(dǎo)體功率器件發(fā)熱及傳熱機(jī)理的討論，導(dǎo)出了半導(dǎo)體功率器件的散熱計(jì)算方法?！娟P(guān)鍵詞】 半導(dǎo)體功率器件 功耗 發(fā)熱 熱阻 散熱器 強(qiáng)制冷卻一、半導(dǎo)體功率器件的類型和功耗特點(diǎn)一般地說，半導(dǎo)體功率器件是指耗散功率在1瓦或以上的半導(dǎo)體器件。按照半導(dǎo)體功率器件的運(yùn)用方式，可分為半導(dǎo)體功率放大器件和半導(dǎo)體功率開關(guān)器件。1、半導(dǎo)體功率放大器件半導(dǎo)體功率放大器又因其放大電路的類型分為甲類放大器、乙類推挽放大器、甲乙類推挽放大器和丙類放大器。甲類放大器的理論效率只有50%，實(shí)際運(yùn)用時則只有30%左右；乙類推挽放大器的理論效

2、率也只有78.5%，實(shí)際運(yùn)用時則只有60%左右；甲乙類推挽放大器和丙類放大器的效率介乎甲類放大器和乙類推挽放大器之間。也就是說，半導(dǎo)體功率放大器件從電源中取用的功率只有一部分作為有用功率輸送到負(fù)載上去，其余的功率則消耗在半導(dǎo)體功率放大器件上，半導(dǎo)體功率放大器在工作時消耗在半導(dǎo)體功率放大器件上的功率稱為半導(dǎo)體功率放大器件的功耗。半導(dǎo)體功率放大器件的功耗為其集電極 發(fā)射極之間的電壓降乘以集電極電流： P=UI （式11）式中P為半導(dǎo)體功率放大器件的功耗（單位W）。 U為半導(dǎo)體功率放大器件集電極發(fā)射極之間的電壓降（單位V）。 I為半導(dǎo)體功率放大器件的集電極電流（單位A）。線性調(diào)整型直流穩(wěn)壓電源中的調(diào)

3、整管是工作在放大狀態(tài)的半導(dǎo)體功率放大器件，所以其功耗的計(jì)算和半導(dǎo)體功率放大器件的功耗計(jì)算是相似的。例如一個集成三端穩(wěn)壓器，其功耗就是：輸入端 輸出端電壓差乘以輸出電流。2、半導(dǎo)體功率開關(guān)器件半導(dǎo)體功率開關(guān)器件例如晶體閘流管、開關(guān)三極管等。它們的工作狀態(tài)只有兩個：關(guān)斷（截止）或?qū)ǎ柡停＠硐氲拈_關(guān)器件在關(guān)斷（截止）時，其兩端的電壓較高，但電流為零，所以功耗為零；導(dǎo)通（飽和）時流過它的電流較大，但其兩端的電壓降為零，所以功耗也為零。也就是說，理想的開關(guān)器件的理論效率為100%（無損耗）。但實(shí)際的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件在關(guān)斷（截止）時，其兩端的電壓最高，但電流不為零，總有一定的反向穿透電流I，則其關(guān)

4、斷（截止）時的功耗為：P= UI （式12）式中：P為半導(dǎo)體功率開關(guān)器件在關(guān)斷時的功耗（單位W）。 U為半導(dǎo)體功率開關(guān)器件集電極發(fā)射極之間或陽極陰極之間的的電壓（單位V）。 I為半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的反向穿透電流（單位A）。由于目前常用的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件大多數(shù)是使用硅材料制造的，其反向穿透電流一般為微安級，所以半導(dǎo)體功率開關(guān)器件在關(guān)斷時的功耗實(shí)際上是很小的，一般為毫瓦級。實(shí)際的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件在導(dǎo)通（飽和）時，其兩端的電壓很低，稱為導(dǎo)通壓降（飽和壓降），對于常用的硅器件大約為伏，但由于導(dǎo)通電流一般很大，約為幾安到幾十安，甚至幾百安，所以其導(dǎo)通（飽和）時的功耗一般為幾瓦到幾十瓦。實(shí)際的半導(dǎo)體功

5、率開關(guān)器件在導(dǎo)通（飽和）時，其功耗為：P= UI （式13）式中：P為半導(dǎo)體功率開關(guān)器件在導(dǎo)通（飽和）時的功耗（單位W）。 U為半導(dǎo)體功率開關(guān)器件導(dǎo)通壓降或飽和壓降（單位V）。 I為半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的導(dǎo)通電流或飽和電流（單位A）。另外，實(shí)際的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件在導(dǎo)通（飽和）和關(guān)斷（截止）狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時必然要經(jīng)過一個中間過程，這個過程的電壓和電流均較大，如果開關(guān)器件的開關(guān)特性良好，則這個過程時間很短，功耗較??；如果開關(guān)器件的開關(guān)特性較差，則這個過程時間較長，功耗較大。以上三個過程的功耗之和，就是實(shí)際的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件在一個工作周期內(nèi)的功耗。綜上所述，無論是半導(dǎo)體功率放大器件還是半導(dǎo)體功率開關(guān)

6、器件在工作時都不可避免地產(chǎn)生功率損耗，功耗的能量將以熱量的形式散發(fā)出來，使半導(dǎo)體器件的溫度升高。二、功耗、熱阻和溫升如前所述，半導(dǎo)體功率器件的管耗將會使半導(dǎo)體器件的溫度升高。當(dāng)半導(dǎo)體器件的溫度升高到一定值時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即PN結(jié)將破壞而使器件失效。例如，對于鍺材料器件，結(jié)溫度達(dá)到約90時PN結(jié)將會破壞，而對于硅材料器件，這個溫度大約是200。為了使半導(dǎo)體功率器件能正常工作，鍺材料器件的極限工作溫度一般規(guī)定為80，而硅材料器件的極限工作溫度一般規(guī)定為150。如果能把半導(dǎo)體功率器件工作時發(fā)出的熱量及時散發(fā)到周圍環(huán)境中去，則其工作溫度就可能維持在極限工作溫度以下，器件就可以處于安全的溫度環(huán)境之中。對

7、于不同散熱條件的器件，消耗同樣功率時的溫升是不同的。我們把每單位功耗下器件系統(tǒng)的溫升定義為熱阻，一般用符號R表示，其單位是W/。器件系統(tǒng)的熱阻等于其管芯的熱量傳遞到周圍環(huán)境的傳熱途徑上所有環(huán)節(jié)的熱阻的總和，即：R=R+R+R （式21）式中：R 器件外殼的總熱阻R 管芯到外殼的熱阻R 外殼到器件表面的熱阻R 器件表面到周圍環(huán)境的熱阻圖2 1為半導(dǎo)體功率器件安裝的示意圖 圖2 1 半導(dǎo)體功率器件安裝示意圖圖2 2為半導(dǎo)體功率器件的傳熱途徑和熱阻示意圖 圖2 2 半導(dǎo)體功率器件的傳熱途徑和熱阻示意圖在熱傳導(dǎo)過程中，功耗溫升與熱阻之間有以下關(guān)系： P= （式22）式中： P 半導(dǎo)體器件的功耗，單位：

8、W T 芯片與環(huán)境的溫度差，單位： R在T的溫差下，傳熱系統(tǒng)各環(huán)節(jié)熱阻的總和，單位：/W下面把（式21）中的各項(xiàng)熱阻作如下說明：1、R 器件外殼的總熱阻該項(xiàng)熱阻主要由整個器件（包括管芯、底板、管殼）的材料、結(jié)構(gòu)所決定。表2 1給出了幾種不同封裝的半導(dǎo)體功率器件的R值。表2 1幾種主要外殼封裝的半導(dǎo)體功率器件的R值。封裝型號銅質(zhì)F1銅質(zhì)F12B 3DS 7S 6R50 /W40 /W210 /W63 /W79 /W2、R 管芯到外殼的熱阻 該項(xiàng)熱阻主要與器件的底座的材料和尺寸有關(guān)，銅底座和厚板結(jié)構(gòu)者熱阻較小。表2 2給出了幾種不同封裝的半導(dǎo)體功率器件的R值。表2 2幾種主要外殼封裝的半導(dǎo)體功率器

9、件的R值。封裝型號F1F12B 3DS 7S 6R3.5 /W3 /W15 /W4 /W10 /W3、R 外殼到器件表面的熱阻 該項(xiàng)熱阻主要由器件外殼的材質(zhì)和厚度和封裝方式?jīng)Q定。銅質(zhì)厚板的器件熱阻最小，鐵質(zhì)薄板的次之，塑料封裝的熱阻最大。該項(xiàng)熱阻也和是否裝有散熱板以及管殼與散熱板之間的導(dǎo)熱介質(zhì)有關(guān)。表2 3給出了幾種不同封裝和不同導(dǎo)熱介質(zhì)的半導(dǎo)體功率器件的R值。表2 3幾種主要外殼封裝的半導(dǎo)體功率器件的R值。封裝型號F1F12B 3DS 7S 6無散熱板3 /W3 /W11 /W3 /W7.5 /W散熱板涂硅脂1 /W1 /W1 /W散熱板墊云母片1.8 /W1.8 /W1.8 /W4、散熱器

10、的熱阻R該項(xiàng)熱阻主要由器件的散熱系統(tǒng)的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)。銅質(zhì)的散熱器熱阻最小，鋁質(zhì)散熱器熱阻也較小，鐵質(zhì)散熱器的熱阻較大，而不外加散熱器時熱阻最大；采用自然空氣冷卻時的熱阻較大，采用強(qiáng)制風(fēng)冷時的熱阻較小。散熱器的的表面積，即散熱器與空氣直接接觸的面積是決定散熱器熱阻的主要參數(shù)。此外，散熱器的安裝位置對熱阻也有影響。例如水平放置的平板散熱器的熱阻比垂直放置的要大。鋁質(zhì)平板散熱器的熱阻可參考表2 4表2 4 鋁質(zhì)平板散熱器的熱阻散熱器表面積（cm）100200300400500600以上熱阻R4.5 6 /W3.5 4.5 /W3 /W2.5 3 /W2 2.5 /W1.5 2.5 /W注：散熱器垂

11、直放置時取下限、水平放置時取上限。鋁質(zhì)平板散熱器的熱阻也可參考圖2 3選取圖2 3 鋁質(zhì)平板散熱器的熱阻三、計(jì)算實(shí)例現(xiàn)有一只S 7封裝的硅功率半導(dǎo)體器件，查器件手冊得知其極限運(yùn)用溫度T=150，現(xiàn)根據(jù)其工作條件決定工作環(huán)境溫度T=70。 1、求它在不帶散熱器時的極限功耗。 2、若它在實(shí)際工作時的功耗為750mw，極限運(yùn)用溫度T為125，求它在不帶散熱器時的極限環(huán)境溫度。 3、若要求它的實(shí)際功耗為，允許的最高器件工作溫度為100，允許最高工作環(huán)境溫度為40。問該器件正常工作時是否需要加裝散熱器？如果要加裝平板散熱器，又要求散熱器垂直放置，求所需的散熱器面積。解：1、查表表2 1，得S 7封裝的器

12、件的熱阻R=63 /W 代入式2 2： P= =1.27(W)也就是說，S 7封裝的硅功率半導(dǎo)體器件不帶散熱器在極限運(yùn)用溫度為T=150，工作環(huán)境溫度T=70時的允許功耗不得超過。2、若它在實(shí)際工作時的功耗為750mw，極限運(yùn)用溫度T仍為150，據(jù)式2 2： P= =則： T=T RP =125 63 =3、若要求它的實(shí)際功耗為，這已經(jīng)超出了它在不帶散熱器時的極限功耗，所以器件必須加裝散熱器。加裝了散熱器之后，總熱阻為管芯到外殼的熱阻R、外殼到器件表面，即到散熱器的熱阻R及散熱器熱阻R之和，則式2 2應(yīng)改寫為： P=由表2 2、表2 3、分別查得S 7封裝的器件的R=4 /W、R=3 /W，把

13、P、R=4 /W、R=3 /W代入上式得： 散熱器熱阻R應(yīng)為： R= R R = 4 3 =/W 查表2 4或圖2 3均可得鋁平板散熱器的面積S=200cm（厚）。四、工藝問題 在安裝散熱器時還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)工藝問題:：1、散熱器與器件的接觸面應(yīng)平整，在整個接觸面內(nèi)測量，平面度誤差不大于。2、在器件與散熱器接觸面之間最好涂一層硅脂或凡士林，以增加導(dǎo)熱性能，減少熱阻。3、一般用M3或M4的螺拴將器件緊固在散熱器上，相應(yīng)的緊固扭矩大約是3 4Nm。扭矩太小會增加熱阻，扭矩太大則會使螺拴 螺母系統(tǒng)產(chǎn)生非彈性變形，反而減小緊固力，甚至使螺拴 螺母系統(tǒng)滑扣而失效。4、散熱器經(jīng)表面電氧化處理后表面呈黑色，可提高散熱效果。5、大部分的功率半導(dǎo)體器件的金屬外殼同時作為一個電極使用，當(dāng)器件的金屬外殼對應(yīng)的電極要求對散熱器有電絕緣要求時，應(yīng)使用專用的云母或聚脂絕緣墊片和絕緣墊圈緊固器件，并應(yīng)在安裝后檢查確保絕緣良好。6、如果設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊，空間位置不允