功率器件的散熱計(jì)算及散熱器選擇

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(jì)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(jì)算


任何器件在工作時(shí)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(wú)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(guò)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(shí)再加上散熱風(fēng)扇，以一定的風(fēng)速加強(qiáng)冷卻散熱。在某些大型設(shè)備的功率器件上還采用流動(dòng)冷水冷卻板，它有更好的散熱效果。 散熱計(jì)算就是在一定的工作條件下，通過(guò)計(jì)算來(lái)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(méi)有風(fēng)扇以一定風(fēng)速冷卻，這稱為自然冷卻或自然對(duì)流散熱。

熱量在傳遞過(guò)程有一定熱阻。由器件管芯傳到器件底部的熱阻為R JC，器件底部與散熱器之間的熱阻為R CS，散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為R SA，總的熱阻R JA=R JC+R CS+R SA。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R JA。

R JA≤(TJ-TA)/PD

則計(jì)算最大允許的散熱器到環(huán)境溫度的熱阻R SA為

R SA≤({T_{J}-T_{A}}over{P_{D}})-(R JC+R CS)

出于為設(shè)計(jì)留有余地的考慮，一般設(shè)TJ為125℃。環(huán)境溫度也要考慮較壞的情況，一般設(shè)TA=40℃ 60℃。R JC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。R CS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R CS典型值為0.1 0.2℃/W;若器件底面不絕緣，需要另外加云母片絕緣，則其R CS可達(dá)1℃/W。PD為實(shí)際的最大損耗功率，可根據(jù)不同器件的工作條件計(jì)算而得。這樣，R SA可以計(jì)算出來(lái)，根據(jù)計(jì)算的R SA值可選合適的散熱器了。


散熱器簡(jiǎn)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(jī)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(zhǎng)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10 15%，在通風(fēng)冷卻下可提高3%，電泳涂漆可耐壓500 800V。

散熱器廠家對(duì)不同型號(hào)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(jì)算實(shí)例


一功率運(yùn)算放大器PA02(APEX公司產(chǎn)品)作低頻功放，其電路如圖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40℃，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R JC(從管芯到外殼)典型值為2.4℃/W，最大值為2.6℃/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=V^{2}_{S}/4RL，代入上式
PD=IQ(VS+|-VS|)+V^{2}_{S}/4RL
=37mA(36V)+18V2/4 4
=21.6W
式中靜態(tài)電流取37mA。
散熱器熱阻R SA計(jì)算:R SA≤({T_{J}-T_{A}}over{P_{D}})-(R_{ JC}+R_{ CS}})

為留有余量，TJ設(shè)125℃，TA設(shè)為40℃，R JC取最大值(R JC=2.6℃/W)，R CS取0.2℃/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

R SA≤{125℃-40℃}over{21.6W}-(2.6℃/W+0.2℃/W)≤1.135℃/W

HSO4在自然對(duì)流時(shí)熱阻為0.95℃/W，可滿足散熱要求。


注意事項(xiàng)

1.在計(jì)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(shí)際條件來(lái)計(jì)算;數(shù)據(jù)資料中的最大結(jié)溫一般為150℃，在設(shè)計(jì)中留有余地取125℃，環(huán)境溫度也不能取25℃(要考慮夏天及機(jī)箱的實(shí)際溫度)。

2.散熱器的安裝要考慮利于散熱的方向，并且要在機(jī)箱或機(jī)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)。

3.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(shí)必須采用云母墊片來(lái)絕緣，以防止短路。

4.器件的引腳要穿過(guò)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。

5.另外，不同型號(hào)的散熱器在不同散熱條件下有不同熱阻，可供設(shè)計(jì)時(shí)參改，即在實(shí)際應(yīng)用中可參照這些散熱器的熱阻來(lái)計(jì)算，并可采用相似的結(jié)構(gòu)形狀(截面積、周長(zhǎng))的型材組成的散熱器來(lái)代用。

6.在上述計(jì)算中，有些參數(shù)是設(shè)定的，與實(shí)際值可能有出入，代用的型號(hào)尺寸也不完全相同，所以在批量生產(chǎn)時(shí)應(yīng)作模擬試驗(yàn)來(lái)證實(shí)散熱器選擇是否合適，必要時(shí)做一些修正(如型材的長(zhǎng)度尺寸或改變型材的型號(hào)等)后才能作批量生產(chǎn)。