第11章 散热技术详解.pptVIP

11.1 结温与器件特性的关系 11.2 稳态热阻与散热措施 11.3 功率损耗的计算 11.4 散热器的选配 * 散热技术 第11章 电力电子器件通以电流后，要消耗大量的功率，这部分耗散功率变成热量会使管芯发热、结温升高。虽然管芯发热后，可以通过周围环境散热，但如果温度过高而不能保证在短时间内散失掉的话，往往可能导致电力电阻器件特性发生变化甚至导致器件发生击穿而损坏，进而影响电力电子线路的正常工作，所以在有些线路当中都需要进行必要的散热保护，例如配置散热器等。 第11章 散热技术 结温与器件特性的关系 11.1 一、结温与GTO特性的关系 当结温升高后，PN结的反偏电压特性变软，结温愈高，热击穿开始的愈早。图中所示温度为T3是PN结电压的反向特性，此特性比温度为T2和T1时更软。当温度高到一定程度时，PN结则不再承受反向电压。这就是GTO耐压受结温影响的原因。 此外，由于结温升高，构成PN结的晶体管的共基极电流放大系数 和 增大，可能会破坏GTO的临界导通状态，致使可关断阳极电流下降，关断时间延长。如果结温过高，还会出现关不断的现象。 图11.1 PN结的热击穿示意图 GTO与普通晶闸管相似，结温会影响正向耐压、反向漏电流、可关断阳极电流以及关断时间等特性参数。当结温过高时，会使GTO的PN结产生热击穿效应，从而造成耐压急剧下降，如图11.1所示。 T1 T2 T3 11.1 此外，结温对GTO的动态参数也有很大影响，其开关特性的温度曲线如图11.2所示。由图可知，结温增加，存储时间显著增加，即GTO的关断时间增加。 图11.2 关断特性与温度的关系曲线 结温与器件特性的关系 结温与器件特性的关系 11.1 二、结温与GTR特性的关系 GTR的管芯发热、结温升高主要是受其集电极耗散功率的影响，而耗散功率由集电极工作电压与电流的乘积所决定。 由于集电结是晶体管内部温度最高的地方，GTR的最大耗散功率 规定为晶体管工作在最高集电结结温下的耗散功率 。 例如当GTR的结温从室温变化到110℃时，其功率增益会下降30％，输出功率下降16％；当从室温变化到200℃时，其功率增益会下降50％，输出功率下降33％。如果结温过高、功耗过大，超过 时，GTR就会因为急剧发热而烧毁。 GTR的最高结温一般规定为150℃，当实际温度超过此规定值时，晶体管的许多参数都会发生变化。 结温与器件特性的关系 11.1 由于GTR多工作于开关状态，必须注意开关过程中的动态损耗。 动态功耗过大，势必会引起晶体管内局部温度过高并且导电不均匀。 同时由于电流过分集中，致使温升过高，产生二次击穿，造成局部烧毁事故。此时，器件的壳温不一定很高，但是管子已经失效。 结温与器件特性的关系 11.1 三、结温与MOSFET特性的关系 MOSFET为单极型功率器件，它只有一种载流子导电，因而开关速度快、开关损耗很小。 它的通态电阻大，通态损耗大。 由于通态电阻具有正的温度效应，温度升高，电阻增大，则会使电流自动降下来，因而器件内部电流易于均匀，不易产生局部热点，对散热器的要求不如双极型器件严格。 MOSFET内部也含有许多PN结，若温度过高也会使PN结特性退化或丧失。 因此使用较大功率MOSFET时也必须设计合适的散热器，以确保器件结温或壳温不超过规定值。 结温与器件特性的关系 11.1 综上所述，对电力电子器件来说，为了安全运行必须限制最高结温。一般情况下，整流管的结温≤150℃，GTO的结温≤125℃，GTR的结温≤150℃，MOSFET的结温≤150℃。 稳态热阻与散热措施 11.2 一、稳态热阻 在器件的热传导过程中，当管芯上每秒钟消耗功率产生的热量与每秒钟散发出去的热量相等时，管芯的温度就达到稳定状态，结温就不再升高。为使恒定的耗散功率流过某一物体，在温度达到平衡后，物体两端的温差与热阻 成正比。即热阻愈大，温升愈大。 一般来说，器件散热时的总热阻包括两部分：一是PN结至外壳的内热阻 ，二是由外壳至散热器的热阻 以及散热器至环境介质的热阻 构成的外热阻。其中内热阻 由器件的结构、工艺和材料所决定，尽量减小内热阻是器件设计者的任务；而在实际应用中，力求减小外热阻的影响以达到良好的散热目的，应是电路设计者的任务。 由于内部的PN结温度升高而使电子器件本身产生热量，如果这个热量过高而又不能及时散发出去，就极有可能造成器件的不