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功率管是电路中最容易受到损坏的器件.损坏的大部分原因是由于管子的实际耗散功率超过了额定数值.那么它的额定功 耗值是怎样确定的,还有没有潜力可挖呢?让我们来分析一下. 晶体管耗散功率的大小取决于管子内部结温 Tj. 当 Tj 超过允许值后,电流将急剧增大而使晶体管烧毁.硅管允许结温一般 是 125~200℃,锗管为 85℃左右(具体标准在产品手册中给出). .管子消耗的功率越大,结温越高.要保证结温不超过允许值,就必须将产生热散发出去.散热条件越好,则对应于相同 结温允许的管耗越大,输出也就越大.因此功率管的散热问题是至关重要的.
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功率器件的散热计算及散热器选择
Heat Dispersion Calculation For Power Devices and Radiators Selection
功率管的散热基础理论
功率管是电路中最容易受到损坏的器件.损坏的大部分原因是由于管子的实际耗散功率超过了额定数值.那么它的额定功
耗值是怎样确定的,还有没有潜力可挖呢?让我们来分析一下.
晶体管耗散功率的大小取决于管子内部结温 Tj. 当 Tj 超过允许值后,电流将急剧增大而使晶体管烧毁.硅管允许结温一般
是 125~200℃,锗管为 85℃左右(具体标准在产品手册中给出).耗散功率是指在一定条件下使结温不超过最大允许值时的电流
与电压乘积.管子消耗的功率越大,结温越高.要保证结温不超过允许值,就必须将产生热散发出去.散热条件越好,则对应于相同
结温允许的管耗越大,输出也就越大.因此功率管的散热问题是至关重要的.
热阻
为了描述器件的散热情况,引入热阻的概念.电流流过电阻 R,电阻消耗功率 RI
2
[W](每秒 RI
2
焦耳能量),导致电阻温度
上升。用隔热材料覆盖电阻,电阻产生的热量不能散发时,则电阻温度随着时间增加而上升,直至电阻烧坏。
一般而言,二物体间的温差越大,温度高的物体向低的物体移动量增多。某电阻置于空气中(如图 6.33 所示),由于流
过电流向电阻提供功率,这功率变为热能。在使电阻温度生高的同时,部分热能散发于空气中。开始有电流流过电阻时,电
阻温度不高,因此散发的热也小,电阻温度逐渐上升,散发的热量也上升
与用电阻表示对电流的阻力类似.热阻表示热传输时所受的阻力.即由 U1-U2=I×R 可有类似的关系
T1-T2=P×R
T
(1-1)
其中 T1-T2 为两点温度之差,P 为传输的热功率,R
T
是传输单位功率时温度变化度数,单位是℃/W.RT 越大表明相同温差下散发
的热能越小.于是结温 Tj,环境温度 Ta,管耗 PCM 及管子的等效热阻 R
T
之间有以下的关系
Tj-Ta=P
CM
×RT (1-2)
若环境温度一定(常以 25℃为基准), Tj已定,则管子等效热阻越小,管耗P
CM
就越可以提高.下面我们来看看管子的散热途径及等
效热阻的情况.
以晶体管为例.图 1-1(a)是晶体管散热的示意图.从管芯(J-Junction)到环境(A-Ambient)之间有几条散热途径: 管芯(J)到外
壳(C-Case),通过外壳直接向环境(A)散热;或通过散热器(S)(中间有界面)向环境散热.不同的管芯(指材料、工艺不同)本身的散热
情况不同,或者说热阻不同.外壳、散热器等的热阻也各不相同.我们可用一个等效电路来模拟这个散热情况,如图 1-1(b)所示.散
发的热能 Pc 表示为电流的形式;两点的温度分别为结温 Tj,和环境温度 Ta;结到外壳的热租用 Rjc 表示,外壳到环境用 Rca 表示,
外壳到散热器用 Rcs 表示,散热器到环境用 Rsa 表示,加散热器后有两条并存的散热途径.
图 1-1 晶体管散热情况分析
(a)晶体管散热示意图 (b)散热等效电路
对于小功率管,一般不用散热器,则管子的等效热阻为
R
T
= Rjc+ Rca (1-3)
而大功率管加散热器后,一般总有 Rcs+ Rsa<<Rca,则
R
T
≈ Rjc+ Rcs+ Rsa (1-4)
不同的管子 Rjc 不同,比如 MJ21195 的 Rjc=0.7℃/W,而 MJE15034 的 Rjc=2.5℃/W.
Rca 与管壳的材料和几何尺寸有关.
Rsa 与散热器的材料(铝、铜等)及散热面积等有关.并且发现将它垂直放置比水平放置散热效果好,表面钝化涂黑又可改进热
幅谢,使热阻进一步减少等.图 1-2 给出二条散热面积与热阻的关系曲线,以机壳、底座为散热面积只能算一个面.
外壳 C
环境 A
环境 A
界面
散热器 S
(a)
管芯 J
Rjc
Rcs
Rsa
Rca
S
C
A
J
Tj
Ta
Pc
(b)
Rcs 是管壳与散热器界面的热阻.可分为接触热阻和绝缘层热阻.接触热阻取决于接触面的情况,如面积大小、压紧程度等.
若在界面涂导热性能较好的硅脂可减少热阻.当需要与散热器绝缘时(如利用外壳、底座进行散热的情况),垫入绝缘层也会形成
热阻.绝缘层可以是 0.05~0.1mm 厚的云母片或采用阳极氧化法在表面形成的绝缘层.
若已知管子的总热阻为 R
T
,则在环境温度为 T
A
时允许的最大耗散功率可由式(1-2)得出.在产品手册上给出的管耗只在指定
散热器(材料、尺寸一定)及一定环境温度下的最大允许值.若散热条件发生变化,则允许的管耗也应随之改变.
对于其它类型的器件(包括集成功放等),耗散功率和散热的关系均与此类似.因此在使用中必须注意环境温度及合适的散
热器(同时要注意器件与散热器的压紧情况等),才能获得所需的功率.
图 1-2 铝散热板的热阻
实际产品设计的散热计算
目前的电子产品主要采用贴片式封装器件,但大功率器件及一些功率模块仍然有不少用穿孔式封装,这主要是可方便地
安装在散热器上,便于散热。进行大功率器件及功率模块的散热计算,其目的是在确定的散热条件下选择合适的散热器,以
保证器件或模块安全、可靠地工作。
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(风冷)。在某
些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板(水冷),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管壳,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管壳的热阻为 Rjc,器件管壳与散热器之间的热阻为 Rcs,散热器将热
量散到周围空间的热阻为 Rsa,总的热阻 Rja=Rjc+R cs+R sa。若器件的最大功率损耗为 P
D
,并已知器件允许的结温为 Tj、环
境温度为 T
A
,可以按下式求出允许的总热阻 Rja。
Rja≤(Tj-T
A
)/ P
D
则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻 Rsa 为
Rsa≤[(Tj-T
A
)/over( P
D
)]-(Rjc+Rcs)
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 T
A
=40℃~ 60℃。Rjc 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。Rcs 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 Rcs 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 Rcs
可达 1℃/W。P
D
为实际的最大损耗功率,可根据不同器件的工作条件计算而得。这样,Rsa 可以计算出来,根据计算的 Rsa
值可选合适的散热器了。
关于散热器选择
首先确定要散热的电子元器件,明确其工作参数,工作条件,尺寸大小,安装方式,选择散热器的底板大小比元器件安
装面略大一些即可,因为安装空间的限制,散热器主要依靠与空气对流来散热,超出与元器件接触面的散热器,其散热效果
随与元器件距离的增加而递减。对于单肋散热器,如果所需散热器的宽度在表中空缺,可选择两倍或三倍宽度的散热器截断
即可。
100
A
(cm
2
)
Rsa
(℃/W)
10
50
7
10
2
5×10
2
10
3
10
1
静止空气
气流速度
1.5m/s
b
a
d
A=a*bcm
2
d≥1.5mm
关于散热器的计算方法
参数定义:
R
T
------ 总内阻, /W℃ ;
Rjc ------ 半导体器件内热阻, /W℃ ;
Rcs ------ 半导体器件与散热器界面间的界面热阻, /W℃ ;
Rsa ------ 散热器热阻, /W℃ ;
Tj ------ 半导体器件结温,℃;
Tc ------ 半导体器件壳温,℃;
Ts ------ 散热器温度,℃;
T
A
------ 环境温度,℃;
P
D
------ 半导体器件使用功率,W;
ΔTsa ------ 散热器温升,℃;
散热计算公式:
Rsa = (Tj- T
A
)/P
D
- Rjc – Rcs
散热器热阻 Rsa 是选择散热器的主要依据。Tj 和 Rjc 是半导体器件提供的参数,P
D
是设计要求的参数,Rcs 可从热设计
专业书籍中查表。
(1)计算总热阻 R
T
:
R
T
= (Tjmax- T
A
)/P
D
(2) 计算散热器热阻 Rsa 或温升 ΔTsa:
Rsa = R
T
-Rjc-Rcs
ΔTsa=Rsa×P
D
(3)确定散热器
按照散热器的工作条件(自然冷却或强迫风冷),根据 Rsa 或 ΔTsa 和 P
D
选择散热器,查所选散热器的散热曲线(Rsa 曲
线或 ΔTsa 线),曲线上查出的值小于计算值时,就找到了合适的散热器。
对于型材散热器,当无法找到热阻曲线或温升曲线时,可以按以下方法确定:
按上述公式求出散热器温升 ΔTsa,然后计算散热器的综合换热系数 α:
α=7.2ψ1ψ2ψ3{√√ [(Ts - T
A
)/20]}
式中:ψ1─── 描写散热器 L/b 对 α 的影响,(L 为散热器的长度,b 为两肋片的间距);
ψ2─── 描写散热器 h/b 对 α 的影响,(h 为散热器肋片的高度);
ψ3─── 描写散热器宽度尺寸 W 增加时对 α 的影响;
√√ [(Ts - T
A
)/20]───描写散热器表面最高温度对周围环境的温升对 α 的影响;
以上参数可以查表得到。
计算两肋片间的表面所散的功率 q0
q0 =α × ΔTsa ×(2h+b)×L
根据单面带肋或双面带肋散热器的肋片数 n,计算散热功率 P
D
′
单面肋片:P
D
′=nq0
双面肋片:P
D
′=2nq0
若 P
D
′ >P
D
时则能满足要求。
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。
例题分析
例 1.1 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 R
L
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 I
Q
典型值为 27mA,最大值为 40mA;器件的 Rjc(从管芯到外壳)典型值为 2.4℃/W,最大
值为 2.6℃/W。
器件的功耗为 P
D
:
P
D
= P
DQ
+ P
D OUT
式中 P
DQ
为器件内部电路的功耗,P
D OUT
为输出功率的功耗。P
DQ
= I
Q
(Vs+|-Vs|),P
D OUT
= Vs
2
/4R
L
,代入上式得:
P
D
= I
Q
(Vs+|-Vs|)+ Vs
2
/4 R
L
=37mA(36V)+18
2
V/4×4
=21.58≈21.6W
式中静态电流取 37mA。
散热器热阻 Rsa 计算:Rsa≤({Tj-T
A
}/over{ P
D
})-(Rjc+Rcs)
为留有余量,Tj 设 125℃,T
A
设为 40℃,Rjc 取最大值(Rjc=2.6℃/W),Rcs 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:
Rsa≤[{125℃-40℃}\over{21.6W}]-(2.6℃/W+0.2℃/W)≤1.135℃/W
HSO4 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最大功耗值,而要根据实际条件来计算;数据资料中的最大结温一般为 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。
例 1.2 在功率放大电路中,如果管耗超过允许值 PCM,将导致三极管温升过高而损坏.如果在三极管上安装具有一定散热面积
的散热器时,可以增加最大允许管耗 PCM,现有低频放大功率管 3AD1 在环境温度 T
A
=25℃时的 PCM为 1W,已知 3AD1的允许结
温 Tj=85℃,管子的内热阻 Rjc=3.5℃/W,试问若采用 120×120×3mm
3
的散热器垂直放置时,允许耗散的功率为多少?当室温升
至 50℃时,允许的耗散功率又为多少?
解: 根据散热器面积
A=120×120mm
2
=14400 mm
2
= 144cm
2
查手册可知散热器的热阻为
Rsa=3.5℃/W
设三极管与散热器间的热阻为
Rcs=0.5℃/W
则三极管的总热阻
R
T
≈ Rjc+ Rcs+ Rsa=(3.5+0.5+3.5) ℃/W=7.5℃/W
而三极管最大允许耗散功率 P
CM
决定于总热阻 R
T
、最高允许结温 Tj 和环境温度 T
A
.它们之间应满足热平衡方程式:
R
T
P
CM
=Tj-T
A
于是有:
P
CM
=( Tj-T
A
)/R
T
=(85-25)℃/7.5℃/W=8W
计算表明,功率管装上散热器后可将允许耗散功率从 1W 提高到 8W.在安装功率散热器时,应使接触面光滑、紧凑,以增加
接触面积,便于热传导.
当室温升至 50℃时,允许耗散功率为
P
CM50
=( Tj-T
A
)/R
T
=(85-50)℃/7.5℃/W=4.7W
这说明环境温度升高时,允许的 P
CM
下降了.一般手册上给出的都是室温 25℃时的参数,选管时必须考虑实际运行时的环
境温度.
例 1.3:为什么散热器通常用铝来制作?
答:从材料的导热性能来看,银最好、铜、金次之、然后是铝,但是金、银的价格相对昂贵,不适宜大量使用;铜的导
热性比铝好,但是铜比铝重约两倍而且加工成形性差,只能制作成简单的形状;铝的导热性良好、重量轻、比铜便宜而且耐
腐蚀、利用加工设备可以制成各种复杂的形状,能满足电子电力行业对散热器的诸多要求,因此被认为是制作散热器的最佳
材料;而 6063铝合金具有良好的导热性,成形性,强化处理后强度适中适合各种机加工,是制造型材散热器的首选材料。
例 1.4:为什么铝散热器价格比普通铝型材贵?
答:由于制作散热器的铝材有特殊的要求,包括化学成分、复杂的形状、底板的光洁度、表面处理等;用 6063牌号制成
的铝材其导热系数是杂铝的数倍,制作散热器成品,通常要对铝材进行机加工和单件的表面处理,这会降低材料的利用率,
因此折合到单位重量的价格会比普通的铝型材贵。
例 1.5:散热器的表面颜色对散热性能有什么影响?
答:通常散热器的表面颜色制成银白色(铝本色)、黑色、金黄色及其他鲜艳的颜色,由于黑色的热辐射能力最强,在
自然对流的条件下,黑色的散热器比银白色的散热能力提高 5%左右,而金黄色及其他鲜艳的颜色,则不会增加散热能力或
增加极小,但对表面能起到保护作用。在强制冷却(如风冷)条件下,散热器表面颜色对散热性能没有影响。
例 1.6:铝材散热器的散热面积是怎么计算的?
答:铝材散热器的散热面积等于(周长×截断长度),其中:周长是厂家图纸提供的,截断长度由用户确定;简单地可
以用(2×翅片高度×翅片数量+底板宽度)×截断长度来估算;如果翅片上带小齿,其散热面积比不带小齿(光齿)的翅
片增加 15%左右.
散热器规格描述规则
一般采用下列方式进行规格描述:
YCZ8-25-6-H
表面处理: H---黑色; Y---银色
加工孔样(见孔样图)
切断长度(mm)
散热器型号
热管简介
热管是一种高效的传热器件。利用相变原理和毛细作用,可以在极小的温差下远距离地高效传输热量而不需外部能量。热管的形状可以是任
何形式(圆形,方形,或其他结构),整个热管可分为三个部分:蒸发段,绝热段和冷凝段。在蒸发段,外部的热量使该段的工质部分蒸发并形
成蒸发段与冷凝段之间的压差,蒸汽被送到冷凝段,只要冷凝段温度低于蒸汽的饱和温度,蒸汽就凝固,并把汽化潜热传给外部的散热器,热管
壁上有吸液芯结构(管芯)。依靠吸液芯产生的毛细力,使冷凝液体从冷凝段回到蒸发段。只要热管在几个极限以下正常运行,就可连续不断地
把工质汽化潜热从蒸发段传递到冷凝段,以汽化潜热进行的换热比单相对流系统以显热方式传递的热量大几个数量级,它本身的热传递效率比同
样材质的纯铜高出几百倍到数千倍。
热管的工作原理最初是由 Gaugler和 Trefethen发现的,直到 1964年 George M. Grover第一个发明并且制造出了热管,热管才受到人们的
重视,由于其具有极好的导热性和等温性,热管最初用于卫星系统,因为热管较高的成本和较小的需求使其商业化的进程非常缓慢,随着热管技
术的逐渐成熟和应用的成功经验,作为高端电子设备的散热器,热管逐渐被市场接受,需求的增长降低了热管的制造成本,使热管开始大量用于
各种电器产品中。
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