功率器件的散熱計算及散熱器

1、功率器件的散熱計算及散熱器選擇類別：電源技術(shù)閱讀：1042目前的電子產(chǎn)品主要采用貼片式封裝器件，但大功率器件及一些功率模塊仍然有不少用穿孔式封裝，這主要是可方便地安裝在散熱器上，便于散熱。進(jìn)行大功率器件及功率模塊的散熱計算，其目的是在確定的散熱條件下選擇合適的散熱器，以保證器件或模塊安全、可靠地工作。散熱計算任何器件在工作時都有一定的損耗，大部分的損耗變成熱量。小功率器件損耗小，無需散熱裝置。而大功率器件損耗大，若不采取散熱措施，則管芯的溫度可達(dá)到或超過允許的結(jié)溫，器件將受到損壞。因此必須加散熱裝置，最常用的就是將功率器件安裝在散熱器上，利用散熱器將熱量散到周圍空間，必要時再加上散熱風(fēng)扇，以一

2、定的風(fēng)速加強冷卻散熱。在某些大型設(shè)備的功率器件上還采用流動冷水冷卻板，它有更好的散熱效果。散熱計算就是在一定的工作條件下，通過計算來確定合適的散熱措施及散熱器。功率器件安裝在散熱器上。它的主要熱流方向是由管芯傳到器件的底部，經(jīng)散熱器將熱量散到周圍空間。若沒有風(fēng)扇以一定風(fēng)速冷卻，這稱為自然冷卻或自然對流散熱。熱量在傳遞過程有一定熱阻。由器件管芯傳到器件底部的熱阻為RJC,器件底部與散熱器之間的熱阻為RCS,散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為RSA，總的熱阻RJA=RJC+RCS+RSA。若器件的最大功率損耗為PD,并已知器件允許的結(jié)溫為TJ、環(huán)境溫度為TA,可以按下式求出允許的總熱阻RJA。RJA

3、(TJ-TA)/PD則計算最大允許的散熱器到環(huán)境溫度的熱阻RSA為RSA(T_J-T_AoverP_D)-(RJC+RCS)出于為設(shè)計留有余地的考慮，一般設(shè)TJ為125C。環(huán)境溫度也要考慮較壞的情況，一般設(shè)TA=40C60C。RJC的大小與管芯的尺寸封裝結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般可以從器件的數(shù)據(jù)資料中找到RCS的大小與安裝技術(shù)及器件的封裝有關(guān)。如果器件采用導(dǎo)熱油脂或?qū)釅|后，再與散熱器安裝，其CS典型值為0.10.2C/W;若器件底面不絕緣，需要另外加云母片絕緣，則其RCS可達(dá)1C/W。PD為實際的最大損耗功率，可根據(jù)不同器件的工作條件計算而得。這樣,RSA可以計算出來，根據(jù)計算的RSA值可選合適的散熱器

4、了。散熱器簡介小型散熱器(或稱散熱片)由鋁合金板料經(jīng)沖壓工藝及表面處理制成，而大型散熱器由鋁合金擠壓形成型材，再經(jīng)機械加工及表面處理制成。它們有各種形狀及尺寸供不同器件安裝及不同功耗的器件選用。散熱器一般是標(biāo)準(zhǔn)件，也可提供型材，由用戶根據(jù)要求切割成一定長度而制成非標(biāo)準(zhǔn)的散熱器。散熱器的表面處理有電泳涂漆或黑色氧極化處理，其目的是提高散熱效率及絕緣性能。在自然冷卻下可提高1015%，在通風(fēng)冷卻下可提高3%，電泳涂漆可耐壓500800V。散熱器廠家對不同型號的散熱器給出熱阻值或給出有關(guān)曲線，并且給出在不同散熱條件下的不同熱阻值。計算實例一功率運算放大器PA02(APEX公司產(chǎn)品)作低頻功放，其電路

5、如圖1所示。器件為8引腳TO-3金屬外殼封裝。器件工作條件如下工作電壓VS為18V;負(fù)載阻抗RL為4,工作頻率直流條件下可到5kHz,環(huán)境溫度設(shè)為40C,采用自然冷卻。查PA02器件資料可知:靜態(tài)電流IQ典型值為27mA,最大值為40mA;器件的RJC(從管芯到外殼)典型值為2.4C/W,最大值為2.6C/W。器件的功耗為PD:PD=PDQ+PDOUT式中PDQ為器件內(nèi)部電路的功耗，PDOUT為輸出功率的功耗。PDQ=IQ(VS+|-VS|),PDOUT=V2_S/4RL，代入上式PD=IQ(VS+I-VSI)+VA2_S/4RL=37mA(36V)+18V2/44=21.6W式中靜態(tài)電流取3

6、7mA。散熱器熱阻RSA計算:RSAW(T_J-T_AoverP_D)-(R_JC+R_CS)為留有余量，TJ設(shè)125C,TA設(shè)為40C,RJC取最大值(RJC=2.6C/W),RCS取0.2C/W,(PA02直接安裝在散熱器上，中間有導(dǎo)熱油脂)。將上述數(shù)據(jù)代入公式得RSA125C-40Cover21.6W-(2.6C/W+0.2C/W)1.135C/WHSO4在自然對流時熱阻為0.95C/W,可滿足散熱要求。注意事項在計算中不能取器件數(shù)據(jù)資料中的最大功耗值，而要根據(jù)實際條件來計算;數(shù)據(jù)資料中的最大結(jié)溫一般為150C,在設(shè)計中留有余地取125C,環(huán)境溫度也不能取25C(要考慮夏天及機箱的實際溫度)。散熱器的安裝要考慮利于散熱的方向，并且要在機箱或機殼上相應(yīng)的位置開散熱孔(使冷空氣從底部進(jìn)入，熱空氣從頂部散出）。若器件的外殼為一電極，則安裝面不絕緣（與內(nèi)部電路不絕緣）。安裝時必須采用云母墊片來絕緣，以防止短路。器件的引腳要穿過散熱器，在散熱器上要鉆孔。為防止引腳與孔壁相碰，應(yīng)套上聚四氟乙稀套管。另外，不同型號的散熱器在不同散熱條件下有不同熱阻，可供設(shè)計時參改，即在實際應(yīng)用中可參照這些散熱器的熱阻來計算，并可采用相似的結(jié)構(gòu)形狀（截面積、周長）的型材組成的散熱器