第九章器件的溫升與散熱

1、9.1 半導(dǎo)體器件的溫升控制半導(dǎo)體器件的溫升控制 9.2 熱量的傳導(dǎo)熱量的傳導(dǎo) 9.3 散熱片散熱片 小結(jié)小結(jié)9.4 熱量的輻射和對(duì)流熱量的輻射和對(duì)流 首首 頁(yè)頁(yè)&理論上半導(dǎo)體器件的最高溫度極限是它內(nèi)部的理論上半導(dǎo)體器件的最高溫度極限是它內(nèi)部的本征溫度本征溫度Ti，半導(dǎo)體器件的輕摻雜區(qū)和重?fù)诫s區(qū)，半導(dǎo)體器件的輕摻雜區(qū)和重?fù)诫s區(qū)的本征溫度相同。如果超過這個(gè)溫度，的本征溫度相同。如果超過這個(gè)溫度，PN結(jié)的特結(jié)的特性將會(huì)消失，本來起屏障作用的耗盡區(qū)將會(huì)被本性將會(huì)消失，本來起屏障作用的耗盡區(qū)將會(huì)被本征載流子代替。征載流子代替。&通常情況下，半導(dǎo)體器件隨著它內(nèi)部溫度的升通常情況下，半導(dǎo)體

2、器件隨著它內(nèi)部溫度的升高，能量損耗加大，當(dāng)內(nèi)部溫度達(dá)到高，能量損耗加大，當(dāng)內(nèi)部溫度達(dá)到200時(shí)，它時(shí)，它的能量損耗非常大。的能量損耗非常大。下 頁(yè)返回下 頁(yè)上 頁(yè)返 回&當(dāng)一個(gè)由半導(dǎo)體器件所形成的系統(tǒng)在當(dāng)一個(gè)由半導(dǎo)體器件所形成的系統(tǒng)在2040的溫度下運(yùn)行時(shí)，則該系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性最好。的溫度下運(yùn)行時(shí)，則該系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性最好。溫度測(cè)量系統(tǒng)在正常的工作溫度范圍內(nèi)必須很精溫度測(cè)量系統(tǒng)在正常的工作溫度范圍內(nèi)必須很精確，必須保證在確，必須保證在125工作溫度下的精確性。工作溫度下的精確性。&晶閘管的最高結(jié)溫低于晶閘管的最高結(jié)溫低于125。當(dāng)晶閘管的結(jié)。當(dāng)晶閘管的結(jié)溫達(dá)到溫達(dá)到125時(shí)，如

3、果此時(shí)施加在晶閘管上的正向時(shí)，如果此時(shí)施加在晶閘管上的正向電壓變化率電壓變化率(du/dt)正好為它的最大允許值，則晶正好為它的最大允許值，則晶閘管可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)通或者關(guān)斷。閘管可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)通或者關(guān)斷。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回&如果器件是按高溫條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，熱屏蔽須對(duì)如果器件是按高溫條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，熱屏蔽須對(duì)換流器的每一個(gè)元件都有屏蔽作用。換流器的每一個(gè)元件都有屏蔽作用。&在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，要求器件能在高溫環(huán)境在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，要求器件能在高溫環(huán)境下工作，此時(shí)必須采取大范圍的熱屏蔽措施。下工作，此時(shí)必須采取大范圍的熱屏蔽措施。&電力電子設(shè)備在高溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，散熱裝置電

4、力電子設(shè)備在高溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，散熱裝置是必須首先考慮的一個(gè)因素。它包括散熱片的尺是必須首先考慮的一個(gè)因素。它包括散熱片的尺寸，重量，安裝位置以及環(huán)境溫度等，必要時(shí)可寸，重量，安裝位置以及環(huán)境溫度等，必要時(shí)可以考慮安裝風(fēng)扇來提高散熱效果。以考慮安裝風(fēng)扇來提高散熱效果。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回&當(dāng)溫度超過當(dāng)溫度超過50時(shí)，以后每升高時(shí)，以后每升高1015，半導(dǎo)體，半導(dǎo)體器件的可靠性就會(huì)成倍的降低。器件的可靠性就會(huì)成倍的降低。&散熱片是設(shè)計(jì)電力電子系統(tǒng)經(jīng)常采用的散熱方式。散熱片是設(shè)計(jì)電力電子系統(tǒng)經(jīng)常采用的散熱方式。傳導(dǎo)擴(kuò)散傳導(dǎo)擴(kuò)散輻射擴(kuò)散輻射擴(kuò)散對(duì)流擴(kuò)散對(duì)流擴(kuò)散自然冷卻方式自然冷卻方式風(fēng)扇

5、冷卻風(fēng)扇冷卻(強(qiáng)迫風(fēng)冷強(qiáng)迫風(fēng)冷)液體冷卻方式液體冷卻方式散熱片冷卻方式散熱片冷卻方式熱量擴(kuò)散形式熱量擴(kuò)散形式下 頁(yè)上 頁(yè)返 回9.2.1 熱阻熱阻 熱量由左向右進(jìn)行傳熱量由左向右進(jìn)行傳導(dǎo)。熱量總是從溫度導(dǎo)。熱量總是從溫度高的一端流向溫度低高的一端流向溫度低的一端流動(dòng)。的一端流動(dòng)。 l熱功率熱功率 單位時(shí)間內(nèi)通過某一橫截面單位時(shí)間內(nèi)通過某一橫截面的熱能。的熱能。 AT1dbhPT2熱量流動(dòng)方向熱量流動(dòng)方向( (P Pcondcond) )下 頁(yè)上 頁(yè)返 回dTAPcondD DT: 導(dǎo)熱材質(zhì)兩端的溫度差，導(dǎo)熱材質(zhì)兩端的溫度差， D DT =T2-T1 T2: : 材質(zhì)較熱一端的溫度材質(zhì)較熱一端的

6、溫度，單位均為，單位均為 T1: : 溫度較低一端的溫度溫度較低一端的溫度，單位均為，單位均為 A: : 材質(zhì)的橫截面積材質(zhì)的橫截面積, ,單位為單位為m2d : : 長(zhǎng)度，單位為米長(zhǎng)度，單位為米：熱傳導(dǎo)率，單位為瓦每米攝氏度：熱傳導(dǎo)率，單位為瓦每米攝氏度熱量的傳導(dǎo)與導(dǎo)熱媒質(zhì)的物理特性有關(guān)，計(jì)算公式熱量的傳導(dǎo)與導(dǎo)熱媒質(zhì)的物理特性有關(guān)，計(jì)算公式為：為： 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 有一長(zhǎng)方體的鋁條，如圖所示。圖中有一長(zhǎng)方體的鋁條，如圖所示。圖中h=b=1cm,d=20cm，單位時(shí)間內(nèi)輸送到鋁條最左端，單位時(shí)間內(nèi)輸送到鋁條最左端的熱功率的熱功率Pcond為為3W。已知鋁條最右端的表面溫度。已知鋁條最右端的

7、表面溫度T1=40。試求鋁條始端的溫度。試求鋁條始端的溫度T2等于多少？等于多少？ 解解例例根據(jù)式根據(jù)式dTAPcondD)( 3 .6701. 001. 02202 . 0312CTbhdPTocond得得:AT1dbhPT2熱量流動(dòng)方向熱量流動(dòng)方向( (P Pcondcond) )下 頁(yè)上 頁(yè)返 回例例 一套晶體組件被封裝在如圖所示的長(zhǎng)方體一套晶體組件被封裝在如圖所示的長(zhǎng)方體鋁條中，已知鋁條中，已知h=3cm,b=4cm,d=2mm,當(dāng)熱量從一端當(dāng)熱量從一端傳到另一端時(shí)，溫度下降了傳到另一端時(shí)，溫度下降了3，若忽略其它任何，若忽略其它任何熱損失，試求該鋁條能傳導(dǎo)的最大熱功率熱損失，試求該鋁

8、條能傳導(dǎo)的最大熱功率Pcond等等于多少？于多少？解解根據(jù)式根據(jù)式dTAPcondD21()220 0.03 0.04 33960.002A TTpd(W)得得:AT1dbhPT2熱量流動(dòng)方向熱量流動(dòng)方向( (P Pcondcond) )下 頁(yè)上 頁(yè)返 回?zé)嶙锜嶙鑂cond為：為： condcondPTRD 熱阻與導(dǎo)熱材質(zhì)的熱傳導(dǎo)率和物理尺寸有關(guān)，它反熱阻與導(dǎo)熱材質(zhì)的熱傳導(dǎo)率和物理尺寸有關(guān)，它反映了導(dǎo)熱材質(zhì)的導(dǎo)熱能力，單位為映了導(dǎo)熱材質(zhì)的導(dǎo)熱能力，單位為/W。 將將 代入到上式，代入到上式，dTAPcondDAdcondR得得:AT1dbhPT2熱量流動(dòng)方向熱量流動(dòng)方向( (P Pcondco

9、nd) )下 頁(yè)上 頁(yè)返 回等效等效熱阻熱阻電路中的電阻電路中的電阻等效等效熱傳導(dǎo)功率熱傳導(dǎo)功率電路中的電流電路中的電流等效等效溫度溫度電路中的電位電路中的電位等效等效溫差溫差電路中的電壓電路中的電壓根據(jù)熱阻概念，利用電路中的相關(guān)計(jì)算公式計(jì)算熱根據(jù)熱阻概念，利用電路中的相關(guān)計(jì)算公式計(jì)算熱傳導(dǎo)中的有關(guān)變量，使熱傳導(dǎo)計(jì)算變得簡(jiǎn)單。傳導(dǎo)中的有關(guān)變量，使熱傳導(dǎo)計(jì)算變得簡(jiǎn)單。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回Rq q jc結(jié)結(jié)Ta隔離層隔離層外殼外殼TjRq q saRq q csP將多層導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)用熱傳導(dǎo)等效電路的熱阻串聯(lián)形式表將多層導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)用熱傳導(dǎo)等效電路的熱阻串聯(lián)形式表示，則從熱導(dǎo)體本身的結(jié)到散熱片的總熱阻為：示，

10、則從熱導(dǎo)體本身的結(jié)到散熱片的總熱阻為： Tj結(jié)結(jié)散熱片散熱片隔離層隔離層外殼外殼TasacsjcjacondRRRRRqqqq下 頁(yè)上 頁(yè)返 回結(jié)溫用結(jié)溫用Tj表示、散熱片的溫度用表示、散熱片的溫度用Ta表示，總散熱功率表示，總散熱功率用用Pcond表示表示,根據(jù)式根據(jù)式 的熱傳導(dǎo)歐姆定律，的熱傳導(dǎo)歐姆定律，則結(jié)溫則結(jié)溫Tj可表示為：可表示為：condcondPTRDasacsjccondjTRRRPT)(qqq只要給出了導(dǎo)熱材質(zhì)的物理參數(shù)和熱傳導(dǎo)率，就可根只要給出了導(dǎo)熱材質(zhì)的物理參數(shù)和熱傳導(dǎo)率，就可根據(jù)式據(jù)式 求出對(duì)應(yīng)的熱阻，再根據(jù)等效導(dǎo)求出對(duì)應(yīng)的熱阻，再根據(jù)等效導(dǎo)熱電路模型，得到多層傳導(dǎo)結(jié)

11、構(gòu)的熱分布計(jì)算公式，熱電路模型，得到多層傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的熱分布計(jì)算公式，求得導(dǎo)熱環(huán)節(jié)不同部位的溫度。求得導(dǎo)熱環(huán)節(jié)不同部位的溫度。 AdRcond下 頁(yè)上 頁(yè)返 回盡量減小導(dǎo)熱材質(zhì)的熱阻，相當(dāng)于縮短了熱傳導(dǎo)路盡量減小導(dǎo)熱材質(zhì)的熱阻，相當(dāng)于縮短了熱傳導(dǎo)路徑，從而有效降低熱傳導(dǎo)路徑的溫差。徑，從而有效降低熱傳導(dǎo)路徑的溫差。傳熱材質(zhì)的散熱面積越大越好，可加速熱傳導(dǎo)效率、傳熱材質(zhì)的散熱面積越大越好，可加速熱傳導(dǎo)效率、減少或降低導(dǎo)熱材質(zhì)的寄生熱容。減少或降低導(dǎo)熱材質(zhì)的寄生熱容。在大功率變流設(shè)備的散熱材質(zhì)設(shè)計(jì)中，散熱材質(zhì)的在大功率變流設(shè)備的散熱材質(zhì)設(shè)計(jì)中，散熱材質(zhì)的熱傳導(dǎo)率越大越好，可減小了傳熱路徑的熱阻。熱傳導(dǎo)

12、率越大越好，可減小了傳熱路徑的熱阻。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回硅材料制成的電力電子器件采用雙層散熱結(jié)構(gòu)。硅材料制成的電力電子器件采用雙層散熱結(jié)構(gòu)。小功率或標(biāo)準(zhǔn)功率器件只須單層結(jié)構(gòu)。小功率或標(biāo)準(zhǔn)功率器件只須單層結(jié)構(gòu)。大功率器件散熱設(shè)計(jì)中，封裝材料采用熱傳導(dǎo)率較大功率器件散熱設(shè)計(jì)中，封裝材料采用熱傳導(dǎo)率較高的導(dǎo)熱材質(zhì)，如采用自然冷卻方式仍達(dá)不到要求，高的導(dǎo)熱材質(zhì)，如采用自然冷卻方式仍達(dá)不到要求，則須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷、水冷，甚至液氮冷卻方式。則須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷、水冷，甚至液氮冷卻方式。所采取的散熱方式，應(yīng)能保證半導(dǎo)體材料的結(jié)熱阻所采取的散熱方式，應(yīng)能保證半導(dǎo)體材料的結(jié)熱阻Rjc小于小于1/W。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回9

13、.2.2 暫態(tài)熱阻抗暫態(tài)熱阻抗 變流設(shè)備出現(xiàn)負(fù)荷的大幅變化，使變流設(shè)備的傳變流設(shè)備出現(xiàn)負(fù)荷的大幅變化，使變流設(shè)備的傳輸功率急劇增加，從而導(dǎo)致變流設(shè)備中功率半導(dǎo)輸功率急劇增加，從而導(dǎo)致變流設(shè)備中功率半導(dǎo)體器件自身的損耗成正比地增加。這些突增的損體器件自身的損耗成正比地增加。這些突增的損耗，須通過功率半導(dǎo)體器件的散熱渠道迅速擴(kuò)散耗，須通過功率半導(dǎo)體器件的散熱渠道迅速擴(kuò)散出去。出去。溫升超過一定數(shù)值時(shí)，會(huì)損壞半導(dǎo)體器件，急速溫升超過一定數(shù)值時(shí)，會(huì)損壞半導(dǎo)體器件，急速增加的損耗相當(dāng)于散熱功率的急劇增加，散熱環(huán)增加的損耗相當(dāng)于散熱功率的急劇增加，散熱環(huán)節(jié)中的散熱材質(zhì)必須能承受這種暫態(tài)熱沖擊。節(jié)中的散熱材

14、質(zhì)必須能承受這種暫態(tài)熱沖擊。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回功率半導(dǎo)體器件的暫態(tài)熱阻抗表征了半導(dǎo)體材料對(duì)功率半導(dǎo)體器件的暫態(tài)熱阻抗表征了半導(dǎo)體材料對(duì)溫度迅猛上升的反應(yīng)能力。溫度迅猛上升的反應(yīng)能力。在熱傳導(dǎo)過程中，由于瞬態(tài)耗散功率的增加，導(dǎo)致在熱傳導(dǎo)過程中，由于瞬態(tài)耗散功率的增加，導(dǎo)致導(dǎo)熱材質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)不能迅速將熱傳導(dǎo)出去，從而導(dǎo)熱材質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)不能迅速將熱傳導(dǎo)出去，從而造成導(dǎo)熱材質(zhì)自身的溫度增加。導(dǎo)熱材質(zhì)的溫升多造成導(dǎo)熱材質(zhì)自身的溫度增加。導(dǎo)熱材質(zhì)的溫升多少則取決于材質(zhì)本身的熱容量。少則取決于材質(zhì)本身的熱容量。 l暫態(tài)熱阻抗暫態(tài)熱阻抗暫態(tài)熱沖擊所呈暫態(tài)熱沖擊所呈現(xiàn)的熱阻抗?，F(xiàn)的熱阻抗。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回l

15、熱容熱容 導(dǎo)熱材質(zhì)的熱存儲(chǔ)能力導(dǎo)熱材質(zhì)的熱存儲(chǔ)能力 。 “熱容熱容”用符號(hào)用符號(hào)Cs表示：表示：dACCvsA: 材質(zhì)的橫截面積材質(zhì)的橫截面積,單位為單位為m2d : 長(zhǎng)度，單位為米長(zhǎng)度，單位為米Cv：導(dǎo)熱材質(zhì)單位體積內(nèi)的熱容量，（單位體積的：導(dǎo)熱材質(zhì)單位體積內(nèi)的熱容量，（單位體積的熱能熱能Q隨溫度隨溫度T的變化率），單位為的變化率），單位為J/K(焦耳焦耳/開開)。Cv可表示為：可表示為：dTdQCv下 頁(yè)上 頁(yè)返 回?zé)崃康纳⑹菚r(shí)間的函數(shù)。經(jīng)過一段時(shí)間后，結(jié)溫?zé)崃康纳⑹菚r(shí)間的函數(shù)。經(jīng)過一段時(shí)間后，結(jié)溫與熱量散失之間建立起一個(gè)平衡。與熱量散失之間建立起一個(gè)平衡。R0Pcond(t)tRq

16、qPcond(t)Ti(t)Ta熱時(shí)間常數(shù)為：熱時(shí)間常數(shù)為：4/sCRqq q qlog(t)Rq qTi(t q q)=0.833P0Rq q0)(logPtTi下 頁(yè)上 頁(yè)返 回如果時(shí)間如果時(shí)間t比導(dǎo)熱材質(zhì)的熱時(shí)間常數(shù)比導(dǎo)熱材質(zhì)的熱時(shí)間常數(shù)tB小，結(jié)溫隨時(shí)小，結(jié)溫隨時(shí)間的變化關(guān)系為：間的變化關(guān)系為： 式中，式中，P0為恒定的熱輸入功率。當(dāng)時(shí)間為恒定的熱輸入功率。當(dāng)時(shí)間t遠(yuǎn)大于熱時(shí)遠(yuǎn)大于熱時(shí)間常數(shù)間常數(shù) q q 時(shí)，可近似認(rèn)為時(shí)，可近似認(rèn)為Tj達(dá)到了它的最終穩(wěn)態(tài)值達(dá)到了它的最終穩(wěn)態(tài)值P0Rq q +Ta。aSjTCRtPtT)/(4)(0q q qlog(t)Rq qTi(t q q)=0.

17、833P0Rq q0)(logPtTi導(dǎo)熱材質(zhì)在暫態(tài)過導(dǎo)熱材質(zhì)在暫態(tài)過程中呈現(xiàn)出的暫態(tài)程中呈現(xiàn)出的暫態(tài)熱阻抗熱阻抗Zq q(t)。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回實(shí)際的裝置中，熱量流過很多層不同的物質(zhì)。實(shí)際的裝置中，熱量流過很多層不同的物質(zhì)。TaTCTjTCuP(t)熱沉積熱沉積銅銅硅硅P(t)Rq q(S)TaCs(Cu)TjRq q(Cu)Rq q（散熱片）散熱片）Cs(S)Cs( (散熱片散熱片) )Rq q(S).Rq q(Cu).Rq q（散熱片）散熱片）Rq q(S). Rq q(Cu)Rq q(S)log(t) q q(S) q q(Cu) q q（散熱片）散熱片）0)(logPtTiTj結(jié)結(jié)

18、散熱片散熱片隔離層隔離層外殼外殼Ta總的暫態(tài)熱阻抗總的暫態(tài)熱阻抗Zq q(t)是每層暫態(tài)熱阻抗之是每層暫態(tài)熱阻抗之和，不同的導(dǎo)熱材質(zhì)和，不同的導(dǎo)熱材質(zhì)有對(duì)應(yīng)的暫態(tài)熱阻抗有對(duì)應(yīng)的暫態(tài)熱阻抗曲線。曲線。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回如已給定暫態(tài)熱阻抗如已給定暫態(tài)熱阻抗Zq(t)的特性，并且已知隨時(shí)間的特性，并且已知隨時(shí)間變化的傳導(dǎo)熱功率變化的傳導(dǎo)熱功率P(t)，就可以估算出半導(dǎo)體器件，就可以估算出半導(dǎo)體器件的結(jié)溫：的結(jié)溫： ajTtZtPtT)()()(q如果輸入的熱功率特性為矩形脈沖函數(shù)，其脈沖寬如果輸入的熱功率特性為矩形脈沖函數(shù)，其脈沖寬度的有效范圍為度的有效范圍為0tt2，則結(jié)溫的估算根據(jù)以下表，則結(jié)溫

19、的估算根據(jù)以下表達(dá)式計(jì)算：達(dá)式計(jì)算：ajTttZtZPtT)()()(20qq下 頁(yè)上 頁(yè)返 回Rq q(S). Rq q(Cu). Rq q（散熱片）散熱片）Rq q(S).Rq q(Cu)Rq q(S)log(t) q q(S) q q(Cu) q q（散熱片）散熱片）0)(logPtTi熱阻抗曲線圖主要是用來估算熱阻抗，并根據(jù)式熱阻抗曲線圖主要是用來估算熱阻抗，并根據(jù)式 Tj(t)=P0Zq q(t)-Zq q(t-t2)+Ta 得到半導(dǎo)體的結(jié)溫。得到半導(dǎo)體的結(jié)溫。如果熱輸入功率如果熱輸入功率P(t)曲線圖不是矩形脈沖形式，曲線圖不是矩形脈沖形式，一般也可采用矩形脈沖來近似。一般也可采用

20、矩形脈沖來近似。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回當(dāng)熱輸入功率為圖中所示的正弦半波函數(shù)時(shí)，可當(dāng)熱輸入功率為圖中所示的正弦半波函數(shù)時(shí)，可用正弦半波峰值用正弦半波峰值P0作為矩形脈沖的幅值來近似，作為矩形脈沖的幅值來近似，對(duì)應(yīng)的脈沖寬度為對(duì)應(yīng)的脈沖寬度為T/4。結(jié)溫估算表達(dá)式為：。結(jié)溫估算表達(dá)式為：ajTTtZTtZPtT)8/3()8/()(0qq等效矩形脈沖等效矩形脈沖正弦半波函數(shù)正弦半波函數(shù)T/8P(t)P0t003( )( )();8TP tPu tPu tu(t)為階躍函數(shù)為階躍函數(shù)3T/8T/20下 頁(yè)上 頁(yè)返 回要增加器件的暫態(tài)熱傳導(dǎo)功率，就必須增加器件的熱要增加器件的暫態(tài)熱傳導(dǎo)功率，就必須增加器件

21、的熱時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) Rq q Cs/4 ，但這種方式行不通。但這種方式行不通。4/421qdCCRVsAdRconddACCvs將式將式 和式和式 相乘后相乘后（再乘上（再乘上 /4）得）得: 要增加熱時(shí)間常數(shù)，就應(yīng)增加要增加熱時(shí)間常數(shù)，就應(yīng)增加Cv的值。的值。為了降低熱阻，通常應(yīng)增加熱傳導(dǎo)率。為了降低熱阻，通常應(yīng)增加熱傳導(dǎo)率。熱傳導(dǎo)路徑的長(zhǎng)度熱傳導(dǎo)路徑的長(zhǎng)度d盡量短，以減小熱阻盡量短，以減小熱阻Rq q。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回在實(shí)際情況下，一般應(yīng)優(yōu)先保證選擇較小的熱阻在實(shí)際情況下，一般應(yīng)優(yōu)先保證選擇較小的熱阻Rq q，這時(shí)的熱時(shí)間常數(shù)相對(duì)小一些。，這時(shí)的熱時(shí)間常數(shù)相對(duì)小一些。大多數(shù)的功率器件擁

22、有大大超過它的平均功率的大多數(shù)的功率器件擁有大大超過它的平均功率的過載能力。過載能力。 器件在暫態(tài)工作中的散熱能力很重要的。器件在暫態(tài)工作中的散熱能力很重要的。器件的過載能力不僅包括規(guī)定的暫態(tài)功率額定值，器件的過載能力不僅包括規(guī)定的暫態(tài)功率額定值，還包括它所能耐受的時(shí)間。過負(fù)荷幅值的大小不同，還包括它所能耐受的時(shí)間。過負(fù)荷幅值的大小不同，器件能夠耐受的時(shí)間也不相同。器件能夠耐受的時(shí)間也不相同。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回如散熱片采用自然冷卻，如散熱片采用自然冷卻，則它的翼片之間的距離至則它的翼片之間的距離至少少10-15mm, , 如再涂上黑如再涂上黑色的涂料，那么它的熱阻色的涂料，那么它的熱阻將下降將

23、下降25%左右。左右。鋁散熱片鋁散熱片Tj結(jié)結(jié)散熱片散熱片隔離層隔離層外殼外殼Ta假如用風(fēng)扇冷卻，它的熱阻假如用風(fēng)扇冷卻，它的熱阻Rq q將會(huì)更低將會(huì)更低, , 但會(huì)減少但會(huì)減少它的熱容它的熱容Cs。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回M盡量減少器件本身與外殼之間的熱阻盡量減少器件本身與外殼之間的熱阻Rq qjc，有利，有利于熱功的散失。于熱功的散失。M在器件外殼與外殼周圍之間提供一條良好的散熱在器件外殼與外殼周圍之間提供一條良好的散熱途徑。途徑。鋁散熱片鋁散熱片M如散熱片采用自然冷卻，則它的翼片之間的距如散熱片采用自然冷卻，則它的翼片之間的距離至少離至少10-15mm, , 如再涂上黑色的涂料，那么它的如再涂

24、上黑色的涂料，那么它的熱阻將下降熱阻將下降25%左右。左右。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回Tj結(jié)結(jié)散熱片散熱片隔離層隔離層外殼外殼TaM鋁散熱片自然冷卻的熱時(shí)鋁散熱片自然冷卻的熱時(shí)間常數(shù)大約是間常數(shù)大約是415min。如如采用風(fēng)扇冷卻，其熱阻采用風(fēng)扇冷卻，其熱阻Rq q將將會(huì)更低，如做的更小更輕些，會(huì)更低，如做的更小更輕些， 將降低它的熱容將降低它的熱容Cs。M鋁散熱片強(qiáng)迫冷卻的熱時(shí)間常數(shù)要比自然冷卻小鋁散熱片強(qiáng)迫冷卻的熱時(shí)間常數(shù)要比自然冷卻小很多。強(qiáng)迫冷卻的鋁散熱片的時(shí)間常數(shù)很多。強(qiáng)迫冷卻的鋁散熱片的時(shí)間常數(shù)tq q的典型值通的典型值通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到常遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到1min。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回M強(qiáng)迫散熱方式下，鋁

25、散熱片的翼片之間的距離只強(qiáng)迫散熱方式下，鋁散熱片的翼片之間的距離只要幾毫米就可以了，這樣可節(jié)省很多的空間。要幾毫米就可以了，這樣可節(jié)省很多的空間。M在大功率的裝置中，還經(jīng)常使用水或者油來提高在大功率的裝置中，還經(jīng)常使用水或者油來提高熱傳導(dǎo)效率。熱傳導(dǎo)效率。M設(shè)計(jì)時(shí)，須考慮最高結(jié)溫設(shè)計(jì)時(shí)，須考慮最高結(jié)溫Tj.max，最高環(huán)境溫度，最高環(huán)境溫度Ta.max，最高工作電壓以及最大工作電流。，最高工作電壓以及最大工作電流。M功率器件的開關(guān)損耗可根據(jù)它的瞬態(tài)時(shí)間以及開功率器件的開關(guān)損耗可根據(jù)它的瞬態(tài)時(shí)間以及開關(guān)時(shí)間的能量損耗來估算。能量損耗關(guān)時(shí)間的能量損耗來估算。能量損耗Ploss是通態(tài)損耗是通態(tài)損耗和

26、平均開關(guān)損耗的總和。和平均開關(guān)損耗的總和。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回外圍的總熱阻外圍的總熱阻Rq qja為：為： sacsjcjacondRRRRRqqqq根據(jù)式根據(jù)式 得熱導(dǎo)體到得熱導(dǎo)體到LossajjaPTTR/ )(max.max.qM從結(jié)到外殼的熱阻從結(jié)到外殼的熱阻Rq qjc一般可從功率半導(dǎo)體器件的一般可從功率半導(dǎo)體器件的說明書中查到；說明書中查到；M外殼到散熱片的熱阻外殼到散熱片的熱阻Rqcs則根據(jù)隔離層熱介質(zhì)的則根據(jù)隔離層熱介質(zhì)的不同而不同。不同而不同。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回M使用熱油可排除云母和晶體交界處的空氣，有利使用熱油可排除云母和晶體交界處的空氣，有利于熱的傳導(dǎo)。于熱的傳導(dǎo)。M如果散

27、熱化合物使用得過多，那么這一層將會(huì)變?nèi)绻峄衔锸褂玫眠^多，那么這一層將會(huì)變得很厚，它的熱阻反而會(huì)增加。得很厚，它的熱阻反而會(huì)增加。sacsjcjacondRRRRRqqqq計(jì)算從散熱片到外圍的熱阻計(jì)算從散熱片到外圍的熱阻Rq qsa。再根據(jù)散熱片廠家。再根據(jù)散熱片廠家給出的說明書，選擇合適的散熱片。給出的說明書，選擇合適的散熱片。M若已知若已知Rq qjc和和Rq qcs，根據(jù)下兩式，根據(jù)下兩式 LossajjaPTTR/ )(max.max.q下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 對(duì)于結(jié)溫是對(duì)于結(jié)溫是125的晶體管的晶體管TO-3來說，假設(shè)來說，假設(shè)它的散熱功率是它的散熱功率是26W，晶體管廠家給出的熱阻

28、值，晶體管廠家給出的熱阻值Rq qjc是是0.9/W，并且使用了帶散熱油脂的，并且使用了帶散熱油脂的75m厚厚的云母隔離層，隔離層的總熱阻是的云母隔離層，隔離層的總熱阻是0.4/W，環(huán)境，環(huán)境溫度最高假設(shè)為溫度最高假設(shè)為55，求散熱片和周圍環(huán)境之間，求散熱片和周圍環(huán)境之間的熱阻需要多大。的熱阻需要多大。解解)(391)4090(26551251-saCW.R例例可選用熱阻為可選用熱阻為1.3/W的散熱片，這種散熱片能讓的散熱片，這種散熱片能讓結(jié)溫保持在結(jié)溫保持在122.6，比，比125低一點(diǎn)。低一點(diǎn)。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回9.4.1 根據(jù)熱量輻射定義的熱阻根據(jù)熱量輻射定義的熱阻 波爾茨曼定律熱量輻

29、射轉(zhuǎn)移功率表達(dá)式為：波爾茨曼定律熱量輻射轉(zhuǎn)移功率表達(dá)式為： -844radsa5.7 10 E A ()PTTPrad：輻射功率，單位瓦特；：輻射功率，單位瓦特；E： 物體表面輻射系數(shù)；物體表面輻射系數(shù)；Ts： 物體表面溫度；物體表面溫度；Ta ：周圍環(huán)境溫度，單位均為開；：周圍環(huán)境溫度，單位均為開；A： 散熱片表面積（包括翼片的面積），單位散熱片表面積（包括翼片的面積），單位m2 。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回黑色氧化鋁散熱片，式黑色氧化鋁散熱片，式可寫成：可寫成： -844radsa5.7 10 E A ()PTTsa44rad5.1A()() 100100TTPcondcondPTRD根據(jù)根據(jù)上式

30、和上式和可以得出：可以得出：D44.)100()100(1 . 5asradTTATRq下 頁(yè)上 頁(yè)返 回如果如果Ts=120=393K，Ta=20=73K那么那么Rq q,rad可以通過下式求出：可以通過下式求出： ARrad12. 0,q 對(duì)于邊長(zhǎng)為對(duì)于邊長(zhǎng)為10厘米的正方體黑色氧化鋁，假設(shè)厘米的正方體黑色氧化鋁，假設(shè)Ts=120，Ta=20時(shí)，求時(shí)，求Rq q,rad。解解)(21 . 0612. 012,CWRradq例例下 頁(yè)上 頁(yè)返 回9.4.2 熱的對(duì)流及其熱阻熱的對(duì)流及其熱阻如果有一個(gè)垂直的表面，它的垂直高度如果有一個(gè)垂直的表面，它的垂直高度dvert低于低于1米米（海拔高度）

31、，那么它和周圍空氣熱量對(duì)流的功率（海拔高度），那么它和周圍空氣熱量對(duì)流的功率表達(dá)式如下：表達(dá)式如下： 1.25conv0.25vert()1.34A()TPdDPconv: :熱量對(duì)流損失的功率，單位瓦特；熱量對(duì)流損失的功率，單位瓦特；T : :物體表面和周圍空氣的溫差，單位攝氏度或物體表面和周圍空氣的溫差，單位攝氏度或K；A: :垂直表面積（或物體總表面積），單位平方米；垂直表面積（或物體總表面積），單位平方米；dvert: :物體垂直高度，單位米。物體垂直高度，單位米。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回condcondPTRD.q結(jié)合結(jié)合1.25conv0.25vert()1.34A()TPdD和和可得

32、到按對(duì)流定義的熱阻表達(dá)式：可得到按對(duì)流定義的熱阻表達(dá)式： 假如假如dvert=10cm， T=100， 則：則：25. 0.)(34. 11TdARvertconvDqC/W)(13. 0o.ARconvq下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 有一個(gè)很薄的長(zhǎng)條狀物體，它的表面溫度是有一個(gè)很薄的長(zhǎng)條狀物體，它的表面溫度是120，而周圍空氣溫度是，而周圍空氣溫度是20，該物體由，該物體由10cm高，高，8cm寬，求它的對(duì)流熱阻寬，求它的對(duì)流熱阻Rq q,conv。解解假如例假如例4中的立方體的對(duì)流熱阻與例中的立方體的對(duì)流熱阻與例5中的長(zhǎng)條狀物中的長(zhǎng)條狀物體一樣體一樣, ,那么由輻射熱阻和對(duì)流熱阻可以得到總的那么由輻

33、射熱阻和對(duì)流熱阻可以得到總的熱阻為：熱阻為： )( 1.C/WRRRRRconvradconvradsaqqqqq)/(2 . 2)1001 . 0(08. 01 . 0234. 1125. 0.WCRoconvq例例下 頁(yè)上 頁(yè)返 回9.4.3 散熱片和周圍環(huán)境之間的熱量計(jì)算散熱片和周圍環(huán)境之間的熱量計(jì)算 假設(shè)假設(shè)Ts=120，Ta=20?，F(xiàn)根據(jù)上面討論過的原理現(xiàn)根據(jù)上面討論過的原理來計(jì)算散熱片和周圍環(huán)境之間的熱阻來計(jì)算散熱片和周圍環(huán)境之間的熱阻Rqsa。A1A20.063m0.092m0.009m0.075m0.063m0.115m0.075m下 頁(yè)上 頁(yè)返 回為了估算總熱阻的輻射成分為了

34、估算總熱阻的輻射成分, ,采用公式采用公式Rq q.rad=0.12/A計(jì)算計(jì)算Arad , ,)(0267. 0)075. 0)(063. 0)(2()075. 0)(115. 0)(2(2mArad)/(5 . 40267. 012. 0.WCRradq由此可得：由此可得：散熱片的翼片之間的距離約散熱片的翼片之間的距離約9mm, ,可修改式可修改式 25. 0.)(34. 11TdARvertconvDq可得：可得：25. 0.rad)(34. 11TdFARvertredDq下 頁(yè)上 頁(yè)返 回Fred1.000.60.50.20.40.10.30.90.80.724 6 8 10 12 14 16 18 20散熱片翼片之間的距離散熱片翼片之間的距離mmFFred是散熱片翼片是散熱片翼片之間的冷卻系數(shù)，可之間的冷卻系數(shù)，可從圖中查到它的值，從圖中查到它的值，散熱片對(duì)流面積可以散熱片對(duì)流面積可以近似的求得：近似的求得：)(089. 0)063. 0)(075. 0)(16()092. 0)(075. 0)(2(162212mAAA下 頁(yè)上 頁(yè)返 回Fred1.000.60.50.20.40.10.30.90.80.724 6 8 10 12 14 16 18 20散熱片翼片之間的距離散熱片翼片之間的距離