损耗与散热设计.docx

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第8章损耗与散热设计

开关电源是功率设备,功率元器件损耗大,损耗引起发热,导致元器件温度升高,为了使元器件温度不超过最高允许温度,必须将元器件的热量传输出去,需要散热器和良好的散热措施,设备的体积重量受到损耗限制。同时,输出一定功率时损耗大,也意味着效率低。

热传输

电子元器件功率损耗以热的形式表现出来,热能积累增加元器件内部结构温度,元器件内部温度受最高允许温度限制,必须将内部热量散发到环境中,热量通过传导、对流和辐射传输。当损耗功率与耗散到环境的功率相等时,内部温度达到稳态。

传导

T1A能量流(功率)T

T

1

A

能量流(功率)

T

的位置的传输过程,如图8-1固体内的热传输。热量从表面温度为T

的一端全部传递到温度为T

2

率表示为

1

的另一端,单位时间传递的能量,即功

P

?A(T?T) ?T

P??1 2 ?

l R

T

式中

(8-1)

2

图8-1热隔离的棒能量传输

lTR ??A (8-2)

l

T

称为热阻(℃/W);l-热导体传输路径长度(m);A-垂直于热传输路径的导体截面积(m2);λ-棒材

Δ料的热导率(W/m℃),含90%铝的热导率为220W/m℃,几种材料的热导率如表8-1所示;T=T-T

Δ

1 2

温度差(℃)。

材料空 气2.4

材料

空 气

2.4×10-2

氧化铝 氧化铍

环氧树脂

云母

硅橡胶

λ(W/m℃)

225

20

208

401

0.3

71

339

0.43

0.26

例:氧化铝绝缘垫片厚度为0.5mm,截面积2.5cm2,求热阻。解:由表8-1查得λ=20W/m℃,根据式(8-2)得到

R? 0.5?10?3 ?0.1℃/W

t 20?2.5?10?4

式(8-1)类似电路中欧姆定律:功率P相当于电路中电流, Ts

Δ温度差 T相当于电路中电压。 T

Δ

a

半导体结的热量传输到周围空气必然经过几种不同材料传

输,每种材料有自己的热导率,截面积和长度,多层材料的热传 T

输可以建立热电模拟的热路图。图8-2是功率器件由硅芯片的热 c

传到环境的热通路(a)和等效热路(b)。由结到环境的总热阻为

T

j

(a)

R R R

热流P

R ?R ?R ?R

js jc cs sa

(8-3) T jc cs sa

T T +

T T +

上式右边前两个热阻可以按式(8-2)计算,最后一项的热阻在以 P Ta

后介绍的方法计算。如果功率器件损耗功率为P,则结温为 -

T ?P(R ?R

j jc cs

R )?T

sa a

(8-4)

(b)

图8-2功率器件热传输和等效热路图

式中R,R

jc cs

及R 分别表示芯片结到管壳,管壳到散热器和散热

sa

器到环境热阻。除了散热器到环境的热阻R

sa

外,其余两个热阻可以按式(8-2)计算。

从式(8-4)可见,要使结温T

j

不超过最高允许温度T

,应当器件降低功耗P,或者减少热阻。

jM

一定的封装,决定了管壳和芯片结构,也就决定了结到壳的内热阻R

jc

。如果希望R

jc

小,热传输路径l

要尽可能短,但受到器件承受的电压、机械平整度等限制;还要使传输截面积尽可能大,但这受到例

如寄生电容等限制。

封装一般采用高热导率材料减小热阻。高功率器件直接安装在空气冷却,甚至水冷散热器上。尽

量减少结到壳热阻R

,一般可以小于1W/℃。

jc

手册中常给出结到壳热阻R

,最高允许结温T

jc jM

和最大允许损耗P

M

,或最高允许结温T

jM

最大允

许功率损耗P

M

和允许壳温T。如果是后者,根据已知数据就可以知道结到壳热阻

c

T ?T

R ? jM c

W/℃ (8-5)

jc P

M

壳到散热器通常有一层绝缘导热垫片,绝缘垫片可以用氧化铝、氧化铍、云母或其他绝缘导热材

料。壳到散热器热阻R

cs

包含两部分:绝缘垫片热阻和接触热阻。绝缘导热垫片热阻可按式(8-2)计

算。例如用于TO-3封装的75μm绝缘云母片热阻大约1.3℃/W。但是,固体表面再好精加工,表面

总是点接触,存在很大接触热阻,应当施加适当的装配压力,增大接触面,即便如此,表面之间仍有空气隙存在,对热阻影响很大。太大的压力会使器件内部结构变形,可能适得其反,一般使用力矩板手保证确定的压力,又不致器件安装变形。同时,材料接触表面应当平整、无瘤、坑,并在适当压力的前提下,绝缘垫片涂有混合导热良好氧化锌的硅脂,驱赶表面间空气,使接触热阻下降 50%~30%。TO3封装当涂有硅脂或导热材料时热阻大约0.4℃/W。如果应用复合

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