采用TO-220封裝的晶體管需要散熱器嗎

采用TO-220封裝的晶體管需要散熱器嗎？散熱器非常重要！作為電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，散熱器提供了一種有效的途徑，將熱量從電子器件（如BJT、MOSFET和線性穩(wěn)壓器）傳遞出去并散發(fā)到周圍空氣中。散熱器的作用是在發(fā)熱器件上形成更大的表面積，從而更有效地將熱量傳遞出來(lái)并散發(fā)到周圍環(huán)境中。器件散熱路徑經(jīng)過改善后可以降低元件接合處的任何溫升。本文旨在利用器件應(yīng)用中的熱數(shù)據(jù)并結(jié)合散熱器供應(yīng)商提供的規(guī)格，對(duì)散熱器的選擇問題進(jìn)行深入探討。需要散熱器嗎？對(duì)于本文而言，我們假設(shè)所討論的應(yīng)用中有一個(gè)采用TO-220封裝的晶體管，其中導(dǎo)通和開關(guān)損耗等于2.78W功耗。此外，環(huán)境工作溫度不會(huì)超過50°C。這個(gè)晶體管需要散熱器嗎？圖1：配備散熱器的典型TO-220封裝的正視圖和側(cè)視圖（圖片來(lái)源：CUIInc）首先，必須找出并理解可能阻止2.78W熱量耗散到周圍空氣中的所有熱阻的特征。如果不能有效地分散這些特征，TO-220封裝內(nèi)的結(jié)溫將超過建議的工作要求，具體對(duì)硅而言，通常為125°C。一般而言，晶體管供應(yīng)商會(huì)記錄所有結(jié)環(huán)熱阻，并用符號(hào)RθJ-A

表示，計(jì)量單位為°C/W。該單位表示，器件內(nèi)每消耗一個(gè)功率單位（瓦），預(yù)計(jì)結(jié)溫將會(huì)升高到TO-220封裝周圍環(huán)境溫度以上的溫度值。舉例說明，當(dāng)晶體管供應(yīng)商記錄的結(jié)環(huán)熱阻為62°C/W時(shí)，TO-220封裝內(nèi)的2.78W功耗將使結(jié)溫升高到高于環(huán)境溫度172°C以上，計(jì)算方法：2.78Wx62°C/W。如果假設(shè)該器件的最壞環(huán)境溫度為50°C，則結(jié)溫將達(dá)到222°C，計(jì)算方法：50°C+172°C。由于這種情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅的額定溫度125°C，因此很可能對(duì)晶體管造成永久性損壞。由此可見，絕對(duì)有必要安裝散熱器。如果針對(duì)此應(yīng)用安裝散熱器，則會(huì)顯著降低結(jié)環(huán)熱阻。下一步，確定需要多低的熱阻通路才能確保操作安全可靠。確定熱阻路徑為確定熱阻路徑，首先需要確定最大容許溫升。如果器件的最高環(huán)境工作溫度為50°C，并且我們已經(jīng)確定硅結(jié)需要保持在125°C或更低，則最高允許溫升為75°C，計(jì)算方法：125°C-50°C。下一步，計(jì)算硅結(jié)本身與周圍空氣之間的最大容許熱阻。如果最高允許溫升為75°C，并且TO-220封裝內(nèi)的功耗測(cè)量值為2.78W，則最大允許熱阻為27°C/W，計(jì)算方法：75°C÷2.78W。最后，計(jì)算出從硅結(jié)到周圍空氣的所有熱阻通路，并確認(rèn)它們的總和小于上文計(jì)算出的最大允許熱阻27°C/W。圖2：典型TO-220應(yīng)用中應(yīng)在結(jié)點(diǎn)與周圍空氣之間計(jì)算和添加的熱阻圖示。（圖片來(lái)源：CUI,Inc.）從圖2可以看出，需要考慮的第一個(gè)熱阻是“結(jié)殼”熱阻，用符號(hào)RθJ-C

表示。該圖顯示了熱量從產(chǎn)生熱量的結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到器件表面的容易程度（本示例以TO-220作為示范）。一般情況下，供應(yīng)商的規(guī)格書會(huì)列出該熱阻以及結(jié)環(huán)熱阻值。此處假設(shè)的結(jié)殼熱阻額定值為0.5°C/W。需要考慮的第二個(gè)熱阻是“外殼至散熱器”熱阻，用符號(hào)RθC-S

表示，該熱阻值用于衡量熱量從器件外殼傳遞到散熱器表面的容易程度。由于兩個(gè)表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象，因此通常建議在TO-220外殼表面及散熱器底座表面之間涂抹導(dǎo)熱界面材料（TIM或“導(dǎo)熱膏”），從而在熱學(xué)的角度確保兩個(gè)表面完全接合。涂抹TIM會(huì)顯著改善TO-220表面到散熱器之間的熱傳遞，但必須考慮其相關(guān)的熱阻。圖3：說明需要導(dǎo)熱界面材料(TIM)的表面對(duì)表面放大示意圖（圖片來(lái)源：CUIInc.）導(dǎo)熱界面材料說明一般而言，TIM的特征取決于它們的導(dǎo)熱率，計(jì)量單位為“瓦/米-攝氏度(W/(m°C))”或“瓦/米-開爾文(W/(mK))”。在本示例中，攝氏度和開爾文單位可以互換，因?yàn)樵谟?jì)算溫升和溫降時(shí)，它們使用的是相同的溫度計(jì)量增量；例如，45°C溫升與45K溫升相同。由于TIM的熱阻依賴于其厚度（TIM的厚度單位為米）與所覆蓋的整個(gè)區(qū)域面積（TIM覆蓋的面積單位為m2）之比，因此包括了單位米，并得出1/m的結(jié)果（計(jì)算方法：m/m2

=1/m）。在此示例中，TO-220外殼表面的金屬片區(qū)域涂抹了一層薄薄的TIM，其特定屬性和涂抹細(xì)節(jié)如下：使用上面列出的屬性，可以根據(jù)以下公式計(jì)算出TIM的熱阻（為保持一致性，用米作為單位）：選擇散熱器需要考慮的最后一個(gè)熱阻是“散熱器到環(huán)境”熱阻，由符號(hào)RθS-A

表示。該熱阻值的計(jì)算可以揭示熱量從散熱器底座轉(zhuǎn)移到周圍周圍空氣中的容易程度。電子元器件制造商CUI是一家散熱器供應(yīng)商，提供了像圖4所示的圖形，展示了通過不同的氣流負(fù)荷和條件，熱量可以輕易地從散熱器轉(zhuǎn)移到周圍空氣中。圖4：展示典型散熱器安裝表面高于環(huán)境溫度溫升的圖形（圖片來(lái)源：CUIInc.）在此示例中，假設(shè)器件在自然對(duì)流且沒有任何氣流的條件下工作。該圖可用于計(jì)算此特定散熱器的最終熱阻，即散熱器到環(huán)境熱阻。用表面高于環(huán)境溫度的溫升量除以散熱量，可以得出該特定工作條件下的熱阻。此處耗散的熱量為2.78W，導(dǎo)致表面高于環(huán)境溫度的溫升為53°C。用53°C除以2.78W可以得出散熱器到環(huán)境的熱阻值為19.1°C/W。在之前的計(jì)算中，結(jié)點(diǎn)與周圍空氣之間的最大允許熱阻為27°C/W。減去結(jié)殼熱阻(0.5°C/W)以及外殼至散熱器的熱阻(0.45°C/W)，即可得出散熱器的最大允許熱阻，計(jì)算結(jié)果為26.05°C/W，計(jì)算方法為：27°C/W-0.5°C/W-0.45°C/W。就本示例而言，在這些假設(shè)條件下，該散熱器19.1°C/W的熱阻遠(yuǎn)低于先前計(jì)算的允許值26.05°C/W。如此意味著TO-220封裝內(nèi)部的硅結(jié)溫溫度更低，設(shè)計(jì)熱裕量更寬。此外，通過將所有熱阻相加，然后乘以結(jié)點(diǎn)處耗散的瓦特?cái)?shù)，最后將結(jié)果加到最高環(huán)境溫度，可以得出結(jié)點(diǎn)最高溫度的近似值，如下所示：此處展示的示例揭示了散熱器在應(yīng)用熱管理中的重要性。如果不安裝散熱器，TO-220封裝內(nèi)的硅結(jié)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出125°C的設(shè)計(jì)額定限值。只需修改并重復(fù)此處使用的流程，即可幫助設(shè)計(jì)人員為各種不同的應(yīng)用選擇尺寸合適的散熱器。總結(jié)散熱器在電路設(shè)計(jì)中扮演著重要的角色，因?yàn)樗鼈兲峁┝艘粋€(gè)有效的通路，將熱量傳遞到周圍空氣中，并使之遠(yuǎn)離電子器件。通過確定周圍環(huán)境的最高溫度以及器件內(nèi)的功耗，可