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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
铝
氧化铝 氧化铍
铜
环氧树脂
铁
金
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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