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江苏三恒铝型材有限公司 >> 新闻中心 >> 功率器件的散热计算及插片散热器选择

任何器件在工作时都有一定的损耗,大部分的损耗变成热量。小功率器件损耗小,无需散热装置。而大功率器件损耗
大,若不采取散热措施,则管芯的温度可达到或超过允许的结温,器件将受到损坏。因此必须加散热装置,最常用的就
是将功率器件安装在散热器上,利用散热器将热量散到周围空间,必要时再加上散热风扇,以一定的风速加强冷却散热
。在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板,它有更好的散热效果。散热计算就是在一定的工作条件下,通
过计算来确定合适的散热措施及散热器。功率器件安装在散热器上。它的主要热流方向是由管芯传到器件的底部,经散
热器将热量散到周围空间。若没有风扇以一定风速冷却,这称为自然冷却或自然对流散热。
热量在传递过程有一定热阻。由器件管芯传到器件底部的热阻为R JC,器件底部与散热器之间的热阻为R CS,散热器将
热量散到周围空间的热阻为R SA,总的热阻R JA=R JC+R CS+R SA。若器件的******功率损耗为PD,并已知器件允许的结温
为TJ、环境温度为TA,可以按下式求出允许的总热阻R JA。
R JA≤(TJ-TA)/PD
则计算******允许的电子散热器到环境温度的热阻R SA为
R SA≤({T_{J}-T_{A}}\over{P_{D}})-(R JC+R CS)
出于为设计留有余地的考虑,一般设TJ为125℃。环境温度也要考虑较坏的情况,一般设TA=40℃ 60℃。R JC的大小与管
芯的尺寸封装结构有关,一般可以从器件的数据资料中找到。R CS的大小与安装技术及器件的封装有关。如果器件采用
导热油脂或导热垫后,再与散热器安装,其R CS典型值为0.1 0.2℃/W;若器件底面不绝缘,需要另外加云母片绝缘,则
其R CS可达1℃/W。PD为实际的******损耗功率,可根据不同器件的工作条件计算而得。这样,R SA可以计算出来,根据计
算的R SA值可选合适的散热器了。
散热器简介
小型散热器(或称散热片)由铝合金板料经冲压工艺及表面处理制成,而大型散热器由铝合金挤压形成型材,再经机械加
工及表面处理制成。它们有各种形状及尺寸供不同器件安装及不同功耗的器件选用。散热器一般是标准件,也可提供型
材,由用户根据要求切割成一定长度而制成非标准的散热器。散热器的表面处理有电泳涂漆或黑色氧极化处理,其目的
是提高散热效率及绝缘性能。在自然冷却下可提高10 15%,在通风冷却下可提高3%,电泳涂漆可耐压500 800V。
散热器厂家对不同型号的散热器给出热阻值或给出有关曲线,并且给出在不同散热条件下的不同热阻值。
计算实例
一功率运算放大器PA02(APEX公司产品)作低频功放,其电路如图1所示。器件为8引脚TO-3金属外壳封装。器件工作条件
如下:工作电压 VS为 18V;负载阻抗RL为4 ,工作频率直流条件下可到5kHz,环境温度设为40℃,采用自然冷却。
查PA02器件资料可知:静态电流IQ典型值为27mA,******值为40mA;器件的R JC(从管芯到外壳)典型值为2.4℃/W,******值为
2.6℃/W。
器件的功耗为PD:
PD=PDQ+PDOUT
式中PDQ为器件内部电路的功耗,PDOUT为输出功率的功耗。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
式中静态电流取37mA。


散热器热阻R SA计算:R SA≤({T_{J}-T_{A}}\over{P_{D}})-(R_{ JC}+R_{ CS}})
为留有余量,TJ设125℃,TA设为40℃,R JC取******值(R JC=2.6℃/W),R CS取0.2℃/W,(PA02直接安装在散热器上,中
间有导热油脂)。将上述数据代入公式得
R SA≤{125℃-40℃}\over{21.6W}-(2.6℃/W+0.2℃/W)≤1.135℃/WHSO4在自然对流时热阻为0.95℃/W,可满足散热要求。
注意事项
1.在计算中不能取器件数据资料中的******功耗值,而要根据实际条件来计算;数据资料中的******结温一般为150℃,在设
计中留有余地取125℃,环境温度也不能取25℃(要考虑夏天及机箱的实际温度)。
2.散热器的安装要考虑利于散热的方向,并且要在机箱或机壳上相应的位置开散热孔(使冷空气从底部进入,热空气从顶
部散出)。
3.若器件的外壳为一电极,则安装面不绝缘(与内部电路不绝缘)。安装时必须采用云母垫片来绝缘,以防止短路。
4.器件的引脚要穿过散热器,在散热器上要钻孔。为防止引脚与孔壁相碰,应套上聚四氟乙稀套管。
5.另外,不同型号的散热器在不同散热条件下有不同热阻,可供设计时参改,即在实际应用中可参照这些散热器的热阻
来计算,并可采用相似的结构形状(截面积、周长)的型材组成的散热器来代用。
6.在上述计算中,有些参数是设定的,与实际值可能有出入,代用的型号尺寸也不完全相同,所以在批量生产时应作模
拟试验来证实散热器选择是否合适,必要时做一些修正(如型材的长度尺寸或改变型材的型号等)后才能作批量生产。
IDT热量数据
考虑到微电子器件的功率消耗问题,热能管理对于任何电子产品能否达到******性能是至关重要的。微电子器
件的操作温度决定了产品的速度和可靠性。IDT积极致力于加强其产品和封装的研发,以达到******的速度和
可靠性。然而,产品性能经常受到执行情况影响,因此小心处理各项影响操作温度的因素有助于充分发挥产
影响器件操作温度最重要的因素包括功率消耗、空气温度、封装构造和冷却装置等。以上这些因素共同决定
了产品的操作温度。以下是目前计算操作温度所采用的方程式
QJA = (TJ - TA)/PQJC = (TJ - TC)/PQCA = (TC - TA)/PQJA = QJC + QCATJ = TA + P [QJA ]
TC = TA + P [QCA ]
QJA = 管芯到周围环境空气的封装热阻力 (每瓦摄氏度)
QJC = 管芯到封装外壳的封装热阻力 (每瓦摄氏度)
QCA = 封装外壳到周围环境空气的封装热电阻 (每瓦摄氏度)
TJ = 平均管芯温度 (摄氏度)
TC = 封装外壳温度 (摄氏度)
TA = 周围环境空气温度 (摄氏度)
P = 功率 (瓦)
以上方程式是目前决定封装温度的方法。业界有时会采用更为精确和复杂的方法,但相应地需要获得更多的
装配条件和冷却设备方面的信息。

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