大功率电子元器件及设备结构的热设计
电子器件热设计估算技巧1
电⼦器件热设计估算技巧1半导体器件可以分为⼤功率器件和⼩功率器件。
1 ⼤功率器件的额定功率⼀般是指带散热器时的功率，散热器⾜够⼤时且散热良好时，可以认为其表⾯到环境之间的热阻为0，所以理想状态时壳温即等于环境温度.功率器件由于采⽤了特殊的⼯艺，所以其最⾼允许结温有的可以达到175度。
但是为了保险起见，⼀律可以按150度来计算.适⽤公式：Tc =Tj - P*Rjc设计时，Tj最⼤值为150,Rjc已知，假设环境温度也确定，根据壳温即等于环境温度，那么此时允许的P也就随之确定。
2 ⼩功率半导体器件，⽐如⼩晶体管，IC，⼀般使⽤时是不带散热器的。
所以这时就要考虑器件壳体到空⽓之间的热阻了。
⼀般⼚家规格书中会给出Rja，即结到环境之间的热阻.Rja=Rjc+Rca以三级管2N5551为例，其最⼤使⽤功率1.5W是在其壳温25度时取得的.假设此时环境温度恰好是25度，⼜要消耗1.5W的功率，还要保证壳温也是25度，唯⼀的可能就是它得到⾜够良好的散热！但是⼀般像2N5551这样TO-92封装的三极管，是不可能带散热器使⽤的。
所以此时，⼩功率半导体器件要⽤到的公式是：Tc =Tj - P*RjaRja：结到环境之间的热阻.⼀般⼩功率半导体器件的⼚家会在规格书中给出这个参数。
2N5551的Rja⼚家给的值是200度/W。
已知其最⾼结温是150度，那么其壳温为25度时，允许的功耗可以把上述数据代⼊Tc =Tj - P*Rja 得到 25=150-P*200，得到P=0.625W。
事实上，规格书中就是0.625W.因为2N5551不会加散热器使⽤，所以我们平常说的2N5551的功率是0.625W⽽不是1.5W！还有要注意，SOT-23封装的晶体管其额定功率和Rja数据是在焊接到规定的焊盘（有⼀定的散热功能）上时测得的。
3 另外告诉⼤家⼀个窍门，其实⼀般规格书中的最⼤允许储存温度其实也是最⼤允许结温。
最⼤允许操作温度其实也就是最⼤允许壳温，最⼤允许储存温度时，功率P当然为0，所以公式变为Tcmax =Tjmax - 0*Rjc，即Tcmax =Tjmax是不是很神奇！最⼤允许操作温度，⼀般民⽤级（商业级）为70度，⼯业级的为80度.普通产品⽤的都是民⽤级的器件，⼯业级的⼀般贵很多。
电子设备的热设计探析
电子设备的热设计探析【摘要】目前电子技术的发展速度在不断的提高，一些大功率和高功率的的元器件得以广泛的研制出来，而在对这些电子元器件进行合理时，则需要对其散热性进行充分的考虑，做好热设计工作，从而确保电子元器件性能的可靠性。
本文对电子设备散热设计的一般原则进行了分析，并进一步对热设计的主要技术进行了具体的阐述。
【关键词】电子设备；散热；热设计；原则；技术1.引言目前电子元器件开始向小型化、微型化、高集成化和微组装的方向发展，这就有效提高了电子设备的性能，同时电子设备的体积也在不断的向小型化方向发展，这就给电子设备的热设计带来了较大的难度。
由于电子设备是由若干个电子元器件组成的，而当电子设备处于通电状况时，这些电子元器件则会产生大量的热量，导致设备内部的温度不断的升高，而当温度升高到一定程度时，则会使设备的正常运行受到影响。
所以对于电子设备的结构设计时，其散热设计是其中极为关键的部分。
据一项不完全统计表明，元器件所处环境温度每升高10度，则其可靠性则会降低一半，这充分的说明了温度的升高对电子元器件性能的影响。
所以为了有效的保证电子元器件能够安全可靠的工作，确保其使用寿命，则需要加强其热设计的水平，使其具有良好的散热性。
2.热设计的一般原则2.1 热量传递的方式通常情况下热量传递的方式有三种，即传导、对流和辐射。
当两个物体直接接触在一起时，其热量会在直接接触的物体之间进行传递，即是热量通过传导的方式进行传递；而对流是指发热物体周围具有流动性的介质，热量通过介质的作用进行转移，即所说的对流，由于介质运动的原因不同，所以对流可分为自然对流和强迫对流两种。
而当物体温度升高时，其内部的能量则会通过电磁波的方式向外辐射，而辐射出去的能量落在其他物体上，会有一部分能量被物体吸收，从而转化为热能。
2.2 散热方式的选择由于电子设备存在着若干个电子元器件，其设备的结构也较为复杂，这样电子设备结构内部的热传递方式则不可能是一种，许多时候是三种方式同时存在，而且相互影响。
功率器件封装结构热设计综述
功率器件封装结构热设计综述
功率器件封装结构的热设计是为了保证功率器件在工作过程中能够有效地散热，从而提高其性能和可靠性。
下面是功率器件封装结构热设计的综述：
1. 散热需求：功率器件在工作时会产生大量的热量，如果不能及时散热，温度将会升高，导致器件性能下降甚至损坏。
因此，功率器件封装结构的热设计首要任务就是满足散热需求。
2. 封装结构材料选择：封装结构的材料应具有良好的散热性能，例如，具有较高的导热系数和热传导率。
常见的封装结构材料包括铜、铝、陶瓷等。
3. 散热结构设计：散热结构的设计包括散热片、散热底座、散热管等。
散热片通常位于功率器件上方，通过增大表面积来提高散热效果；散热底座用于安放功率器件，并与散热片紧密接触以提高散热效率；散热管用于导热，将热量从功率器件传递到散热器上。
4. 散热器设计：散热器是功率器件热设计中非常重要的组成部分，通过增大表面积和风扇等方式来提高散热效果。
散热器通常采用铝制或铜制材料，并具有较大的散热面积和散热鳍片，以增加热量的散发。
5. 热界面材料选择：热界面材料用于填充封装结构中的空隙，提高热量的传导效率。
常见的热界面材料包括硅胶、硅脂等，其导热性能应与功率器件和散热结构相匹配。
6. 温度传感器布置：为了实时监测功率器件的温度，可以在封
装结构中布置温度传感器。
温度传感器的数据可以用于控制系统的温度保护和散热调节。
总之，功率器件封装结构的热设计是为了保证器件的正常工作温度范围内，提高器件的可靠性和性能。
通过合理选择材料、设计散热结构和散热器，并使用适当的热界面材料，可以有效地提高功率器件的散热效果。
电子行业电子设备热设计基础
电子行业电子设备热设计基础引言在电子行业中，电子设备的热设计是非常重要的。
随着电子设备的不断发展，其功能越来越强大，性能越来越高，工作时产生的热量也越来越大。
如果电子设备的热量不能有效地散出去，会导致设备过热，影响设备的性能甚至损坏设备。
因此，合理的热设计对于电子设备的可靠性和稳定性至关重要。
本文将介绍电子行业电子设备热设计的基础知识，包括热传导、热辐射、热对流等方面的内容，帮助读者了解电子设备热设计的重要性并掌握一些基本的设计原则和方法。
热传导热传导是指热能通过物质的传导方式传递的过程。
在电子设备中，常见的热传导方式有三种：导热、对流和辐射。
导热导热是通过物质内部的分子或电子的碰撞传递热能的过程。
导热的速度和效率取决于物质的热导率和传热面的接触情况。
为了提高导热效率，我们可以采用导热材料，如铜、铝等，作为散热板或散热片，将其与电子元件紧密接触以增大接触面积。
对流对流是指热量通过流体（如空气）的对流传递的过程。
当电子设备工作时产生的热量无法直接通过导热方式散出去时，就需要依靠对流来进行热散热。
在设计电子设备时，我们需要合理设置散热孔和散热风扇等设备，以增加热量与周围空气的接触面积，提高对流散热效率。
辐射辐射是指热能以电磁辐射的形式传递的过程。
热辐射是无需传递介质的热传递方式，在电子设备中发挥重要作用。
通过合理设置散热片、散热器等辐射表面，可以增大辐射能量的发射和吸收。
此外，还可以利用红外线热成像等技术来监测电子设备中的热辐射情况，及时发现问题并采取相应的措施。
设计原则和方法在进行电子设备热设计时，需要遵循一些基本的设计原则和方法，以确保设备的稳定运行和长寿命。
合理布局在电子设备的布局设计中，需要考虑到热量的产生和散热的位置。
将产热元件和散热结构合理布置，减少热量在设备内部的积聚，有利于热量的迅速散出，提高散热效率。
优化散热结构为了提高散热效果，可以采用散热片、散热器等散热结构来增大热量与周围环境的接触面积。
浅析电子设备中功率器件的热设计与散热设计
浅析电子设备中功率器件的热设计与散热设计0 引言电子设备（产品）在工作过程中，随着温度达到或超过规定的温度值时，就会引起或增大电子设备的失效率，也就是过热失效。
过热失效的原因主要来自电子设备中功率器件的过热。
因此，做好电子设备中功率器件的热设计与散热设计是提高电子设备（产品）质量与可靠性的关键环节。
本文就电子设备中功率器件的热性能、功率器件热设计、散热器设计、散热技术的发展等，做进一步的研究和探讨[1]。
1 功率器件的热性能功率器件在受到来自器件本身工作时（内部）产生的热或受到器件壳体（外部）接触到的热源影响，又得不到及时地散热，就会导致功率器件内部芯片（有源区）的温度（结温）升高，使器件的可靠性降低无法正常工作。
功率器件的热性能：结温和热阻[2]。
1.1 结温。
功率器件的内部芯片有源区（如晶体管的pn结区、场效应器件的沟道区、集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等）的温度称为结温。
当功率器件的结温温度（tj）超过其环境温度（ta）时，由温差变化形成的热扩散流，把器件芯片上的热量传递到管壳并向外散发热能，并随着器件结温与环境温差(tj-ta)的变化增大而使传热量增大。
1.2 热阻。
功率器件传递热量能力的大小称为热阻（rt），热阻（rt）的值增大时，功率器件的散热能力就减小。
热阻分为内、外热阻：①内热阻是功率器件本身的热阻，并与功率器件的芯片、外壳材料的导热率、厚度和截面积等有关。
②外热阻是功率器件外部的热阻，并与功率器件外部（管壳）的封装形式（如金属管壳的外热阻<塑封管壳）有关，而且管壳面积越大，外热阻越小。
2 功率器件的热设计功率器件热设计的目的是为了防止器件工作时所产生的温度过高，致使器件（过热引起热失效）无法正常工作。
在功率器件热设计过程中，不仅要作好器件内部芯片、封装形式和管壳的热设计，还要加装合适的散热器进行有效散热，保证器件在安全结温之内正常可靠的工作[3]。
2.1 器件的性能参数和环境参数。
功率器件的热设计
关于“功率器件热设计及发展进程”的报告随着电子设备复杂性的增加，如果各种发热元件散发出来的热量不能够及时散发出去，就会造成热量的积聚，从而导致各个元器件的温度超过各自所能承受的极限，使得电子设备的可靠性大大降低。
当前，电子设备的主要失效形式之一就是热失效。
据统计，电子设备的失效有5 %是温度超过规定值引起的，随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长趋势。
所以，功率器件热设计是电子设备结构设计中不可忽略的一个环节，它的好坏直接决定了产品设计的成功与否。
良好的热设计是保证设备运行稳定性与可靠性的基础。
1.功率器件热性能的主要参数功率器件应用时所受到的热应力可能来自器件内部，也可能来自器件外部。
器件工作时所耗散的功率要通过发热形式耗散出去。
若器件的散热能力有限，则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，使得器件可靠性降低，无法安全正常工作。
表征功率器件热能力的参数主要有结温和热阻。
一般将功率器件有源区称为结,器件的有源区温度称为结温。
这些器件的有源区可以是结型器件(如晶体管)的pn结区、场效应器件的沟道区，也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等。
当结温Tj高于周围环境温度Ta时，热量通过温差形成扩散热流，由芯片通过管壳向外散发，散发出的热量随着温差的增大而增大。
为了保证器件能够长期正常工作，必须规定一个最高允许结温Tjmax。
Tjmax的大小是根据器件的芯片材料、封装材料和可靠性要求确定的。
功率器件的散热能力通常用热阻表征，记为Rt，热阻越大，则散热能力越差。
热阻又分为内热阻和外热阻，内热阻是器件自身固有的热阻，与管芯、外壳材料的导热率、厚度和截面积以及加工工艺等有关;外热阻则与管壳封装的形式有关。
一般来说，管壳面积越大，则外热阻越小，金属管壳的外热阻就明显低于塑封管壳的外热阻。
当功率器件的功率耗散达到一定程度时，器件的结温升高，系统的可靠性降低。
为了提高可靠性，应进行功率器件的热设计2.功率器件热设计功率器件热设计是要防止器件出现过热或温度交变引起的热失效，可分为器件内部芯片的热设计、封装的热设计和管壳的热设计以及功率器件实际使用中的热设计。
电子产品热设计
目录摘要： (2)第1章电子产品热设计概述： (2)第1.1节电子产品热设计理论基础 (2)1.1.1 热传导： (2)1.1.2 热对流 (2)1.1.3 热辐射 (2)第1.2节热设计的基本要求 (3)第1.3节热设计中术语的定义 (3)第1.4节电子设备的热环境 (3)第1.5节热设计的详细步骤 (4)第2章电子产品热设计分析 (5)第2.1节主要电子元器件热设计 (5)2.1.1 电阻器 (5)2.1.2 变压器 (5)第2.2节模块的热设计 (5)电子产品热设计实例一：IBM “芯片帽”芯片散热系统 (6)第2.3节整机散热设计 (7)第2.4节机壳的热设计 (8)第2.5节冷却方式设计： (9)2.5.1 自然冷却设计 (9)2.5.2 强迫风冷设计 (9)电子产品热设计实例二：大型计算机散热设计： (10)第3章散热器的热设计 (10)第3.1节散热器的选择与使用 (10)第3.2节散热器选用原则 (11)第3.3节散热器结构设计基本准则 (11)电子产品热设计实例三：高亮度LED封装散热设计 (11)第4章电子产品热设计存在的问题与分析： (15)总结 (15)参考文献 (15)电子产品热设计摘要：电子产品工作时，其输出功率只占产品输入功率的一部分，其损失的功率都以热能形式散发出去，尤其是功耗较大的元器件，如：变压器、大功耗电阻等，实际上它们是一个热源，使产品的温度升高。
因此，热设计是保证电子产品能安全可靠工作的重要条件之一，是制约产品小型化的关键问题。
另外，电子产品的温度与环境温度有关，环境温度越高，电子产品的温度也越高。
由于电子产品中的元器件都有一定的温度范围，如果超过其温度极限，就将引起产品工作状态的改变，缩短其使用寿命，甚至损坏，使电子产品无法稳定可靠地工作。
第1章电子产品热设计概述：电子产品的热设计就是根据热力学的基本原理，采取各种散热手段，使产品的工作温度不超过其极限温度，保证电子产品在预定的环境条件下稳定可靠地工作。
基于Icepak_的大功率电子设备热设计研究
设计应用技术 2023年11月25日第40卷第22期9 Telecom Power TechnologyNov. 25, 2023, Vol.40 No.22田佳雨：基于Icepak 的大功率电子设备热设计研究0·0.10.2①②③④0.30.4255075静压/P a100125(i n H O )2550V∆p f100风量/（m /h）1502005075100125[CFM]图4 ebmpapst 4414M 风机特性曲线2.1 网格划分高质量的网格划分是保证仿真计算精度的关键因素。
在网格划分时，为散热齿、通风孔、风机等分别单独划分了装配体assembly ，对装配体进行精细的网格划分，并对体积小、形状不规则、厚度薄的零件进行了多级划分，最终得到的网格数量约为899万个。
经检查面对其率、扭曲比、网格体积值以及网格偏斜度等参数，发现网格质量较好，且网格比较贴体[5]。
2.2 仿真结果在功放模块、信号噪声模块处分别添加传感器，经仿真得到2种器件的温度变化曲线如图5所示。
由图5可见，在迭代到40次时，各器件温度基本达到稳态。
图5 各模块温度变化曲线仿真得到机箱内各器件的温度云图如图6所示。
76.4Temperature(C)73.771.068.465.763.060.357.755.0图6 温度云图由软件计算得到以下数据：一是风扇的工作点，风扇1工作点为0.031 m 3/s ，风扇2工作点为0.034 m 3/s ；二是各器件最高温度，功放模块1～功放模块9的最高表面温度依次为73.6 ℃、74.2 ℃、74.2 ℃、73.3 ℃、73.7 ℃、75.6 ℃、76.4 ℃、76.0 ℃以及74.8 ℃，信号噪声模块1～信号噪声模块9的最高表面温度依次为69.3 ℃、69.6 ℃、68.9 ℃、68.8 ℃。
根据以上仿真结果，计算得出：风扇总风量为0.065 m 3/s 大于0.044 7 m 3/s ，说明选择的风扇满足该机箱的风量需求，且留出了足够且合理的裕量。
大功率晶体管热学设计探讨
大功率晶体管热学设计探讨摘要：通过对大功率晶体管结构的分析，发现热量不仅仅集中在集电极处，在发射结及高阻区也会产生大量的热量，导致大功率晶体管结构内部的温度分布非常的不均匀（特别是高频大功率晶体管），使得局部之间温差较大，因此在产品设计时，需要增大芯片的发射极周长及增加热补偿垫片，可避免电流过于集中及加速热量的传导，以减小大功率晶体管失效的几率。
关键词：内热阻R；基区电阻自偏压；热补偿垫片ti1.大功率晶体管热阻分析大功率晶体管安装结构示意图如图1所示，图1 大功率晶体管安装结构示意图有分为三部分：通过图1可知，大功率晶体管热阻Rt1.表达；电流由集电极结流过芯片后到达金属管座产生的热量，用Rti2.金属管壳将传递到外部散热器，用R表达；tc3.外部散热器将热量传导到外部介质中（外部介质如空气、水、油等），用Rto表达。
因此大功率晶体管热阻Rt可用下式表达：Rt =Rti+Rtc+Rto对于大功率晶体管来说，Rti设计最为关键，能直接影响产品的热学性能、可靠性、稳定性。
而Rti设计又可分为2部分，芯片设计和芯片焊接设计。
1.大功率晶体管芯片设计大功率晶体管通常是在大耗散功率下工作的，由于工作电压及电流的变化，其耗散功率也随之变化，因为大功率晶体管耗散功率与温度不是线性关系，因此会出现管子温度急速改变的情况，这样不仅会引发管子参数的变化，也会引起管子内部产生较大的机械应力，最终导致产品失效。
对于小功率晶体管来说，工作于小电压或小电流时，流经集电极的电流分布是均匀的；大功率晶体管工作在大电流状态下时，在集电极结处形成不均匀的电流分布，究其原因是：当晶体管管芯结面积在一定范围内时，电流和结面积存在一定的线性关系，当结面积扩大到一定程度后，电流随结面积扩大而增大的趋势将减缓或者不再增加，其原因是由于基区电阻自偏压存在，当很大的基极电流流过基区时，将产生平行于发射结和集电极的横向电压，这个横向压降沿着远离基区的方向升高，从而使实际加在发射结上的正向偏压沿着远离基极的方向减小，导致发射区向基区注入的载流子主要集中在发射结边缘，从而造成集电极结处形成不均匀的电流分布。
元器件的热设计和热阻分析
元器件的热设计和热阻分析
元器件是现代电子产品中必不可少的一部分。
尽管这些元器件在实际中发挥着重要作用，但它们同样涉及一些重要的技术问题，比如热设计和热阻分析。
在元器件中，各个芯片元器件不可避免地会产生热量。
与此同时，这些元器件也可能受到外部环境条件的影响。
在这种情况下，需要进行热设计和热阻分析，以确定元器件的温度、散热情况以及可能的风险因素等内容。
热设计是一个非常重要的技术手段，它可以帮助设计团队确定元器件的最大工作温度，并考虑如何改进热管理技术，以确保元器件的安全和稳定运行。
在热设计中，需要对元器件进行加热测试，以了解其热稳定性和散热能力等指标。
与热设计类似，热阻分析也是一项十分重要的技术手段。
它可以帮助确定元器件之间的热传导性能，以及热阻障碍，同时也可以帮助确定最佳组合方案，以优化元器件的热管理效果。
在热阻分析中，我们需要使用一些特殊的软件和工具来对元器件的热传导能力进行模拟和测试。
对于元器件的热设计和热阻分析而言，我们需要在各个方面进行考虑。
比如我们需要考虑元器件的材料、制造工艺、设备的各种工作情况以及环境因素。
这些因素将会对元器件的工作性能产生显著影响，从而可能影响整个系统的稳定性和可靠性。
最后，需要指出的是，元器件的热设计和热阻分析是一个非常复杂的领域，需要在各个方面进行慎重考虑。
虽然这些技术可以帮助我们确保元器件的稳定性和可靠性，但这同样需要设计团队具备丰富的技术知识和实验经验，以求在元器件的选型、设计和生产上都取得最佳效果。
某大功率功放的热设计
某大功率功放的热设计李伟春梁亚冲(广州海格通信有限公司，广东广州510656)摘要：介绍了某新型大功率功放的热设计方案。
由于采用热管与冷板相结合的冷却方案，大大提高了该功放的散热效果。
该方案的可行性已得到了初步的试验验证。
关键词：热设计；热管；冷板1引言功率器件在其工作时，将产生一定的热耗散并传至周围环境，使其温度升高，从而影响到设备的可靠性。
实际上，大部分电子设备的失效都是由温度升高引起的。
所以，电子设备中冷却系统的设计必须在预期的热环境下，把电子元器件的温度控制在规定的数值之下，在热源至外部环境之间提供一条低热阻通道，以确保热量能够顺利地散发出去。
2 问题的提出我公司某1kW功放要求体积418mm×450mm×162mm，采用8个Motorola的SD2933大功率场效应管。
每个SD2933大功率场效应管的最大功耗接近300W，热流密度达50W/cm2（注：每个SD2933大功率场效应管表面积约6cm2）。
该功放要求在环境温度55℃下工作，每个功率管最大功耗为300W时，其管壳最高温度不超过85℃。
33.1 课题的热设计思路A)将高达的热流密度进行快速和大面积的扩散，传到散热器上；B)该散热器散热面积必须足够大，但体积必须足够小；C)利用风机和设计合理的风道对整机进行热设计。
基于以上思路，方案将SD2933大功率场效应管耗散的热量经由低热阻的热管均布地传至铝制冷板，再用三台风机进行强制抽风冷却（方案布置见图1所示）。
其中，热管的热阻值接近0.005℃/W。
冷板体积414mm×330mm×65mm（见图3），直流轴流风机尺寸为120mm×120mm×32mm，其体积流量为100 CFM，数量3个，气流分布较均匀。
3.2 关键技术3.2.1 减少管壳-热管和热管-冷板接触热阻为便于安装和接触，热管制造成扁平的形式，并保证其接触面要足够平（见图2）。
功率器件热设计及散热计算
功率器件热设计及散热计算功率器件热设计及散热计算是在设计和选择功率器件时必须考虑的重要因素之一、功率器件通常会产生大量的热量，而不恰当的热设计会导致器件过热甚至损坏。
因此，在设计和选择功率器件时，必须充分考虑到其热特性，进行适当的散热计算和热设计。
首先，在进行功率器件的热设计和散热计算之前，需要了解功率器件的热特性参数，其中包括功率器件的最大功率耗散、热阻和最高工作温度等。
这些参数可以从器件的规格书中获取，或者进行实际测试得到。
接下来，需要确定散热器的散热性能。
散热器通常采用铝制散热片或铜制散热片，并通过散热鳍片和风扇等方式进行散热。
散热片的材料和尺寸会直接影响其散热性能，因此在进行散热计算时，需要充分考虑散热片的选择和设计。
在进行散热计算时，首先需要计算功率器件的热功率耗散。
热功率耗散等于功率器件的工作电流乘以其耗散功率。
然后，根据功率器件的热阻和散热器的热阻，计算器件的温升。
热阻可以通过以下公式计算：热阻=(最高工作温度-环境温度)/热功率耗散其中，最高工作温度是功率器件能够承受的最高温度，环境温度是功率器件周围的温度。
根据计算得到的温升，可以判断功率器件的工作温度是否在安全范围内。
通常情况下，功率器件的最大工作温度应该小于其能够承受的最高温度。
如果工作温度超过了最高温度，就说明散热设计存在问题，需要进行改进。
在进行散热设计时，还需要考虑到空气流通和风扇的散热效果。
合理的空气流通和风扇的使用可以显著改善散热效果。
通常情况下，应该确保空气能够顺畅地流过散热器，并且风扇应该具有足够的风量和压力，以确保有效的散热。
综上所述，功率器件的热设计及散热计算是一个复杂而重要的过程。
通过了解功率器件的热特性参数，选择适当的散热器，并进行合理的散热计算，可以有效地防止功率器件过热，并提高其可靠性和寿命。
因此，在进行功率器件的设计和选择时，必须充分考虑到热设计和散热计算。
高频大功率开关电源结构的热设计
高频大功率开关电源结构的热设计摘要：随着大功率开关电源功率密度的不断提高，合理的热设计是保证电源可靠工作的前提条件。
目前，开关电源的热设计主要根据设计者的实际经验，部分经验公式也只是适用于某些特定情况，不具有普遍性。
因此，如果没有准确把握电源结构的热设计原则，仅以热电偶、红外测温等热控手段进行保护，难免存在电源局部过热的故障隐患。
通过电源结构热设计方法，给出风机和散热片的详细设计方案，通过热场模拟分析进行电源结构的设计。
关键词：开关；电源；热设计随着电力电子设备的小型化发展趋势，开关电源的功率密度不断提高，电源的可靠性面临着严峻的挑战。
如果电源结构设计不当的话，运行时有可能因为温度过高、机械振动、电磁干扰等造成故障。
因此，电源结构设计的好坏直接影响到电源系统能否长时间稳定工作。
由于开关电源的大部分损耗都转化为热量，电源的散热效果与电源的结构设计密切相关。
如果电源结构设计不当，那么开关器件所产生的热量将不能及时排出，开关器件的失效率将随着温度升高而大幅增大，严重时还会因温度过高而烧毁开关器件，直接影响到电源的寿命和可靠性。
一、高频开关电源的热设计1、损耗分析。
大功率高频开关电源交流输入为三相380V，直流输出为15V/2kA，主电路包括输入整流、高频逆变以及输出整流三个部分。
其中输入整流采用三相整流桥；高频逆变采用移相全桥逆变电路，且选用大电流、低饱和压降的IGBT；输出整流采用全波不可控整流电路，且输出整流二极管选用反向恢复时间短、功耗低的肖特基二极管。
由于输出电流比较大，且为了提高功率密度，高频变压器和输出整流器采用并联的设计方案，如图。
（1）输入整流器损耗。
由于电源的输入电压为交流380V，整流滤波后的输出电压最大值约为540V，故输入端三相整流桥可选用6RI100G-160，其损耗PR可以根据该型号器件手册上的功耗-电流曲线图读出，结果为PR=250W。
（2）逆变电路损耗。
逆变电路的功率开关器件实际是由IGBT和续流二极管组成。
浅析电子设备中功率器件的热设计与散热设计
做 好 电子 设 备 中功 率器 件 的热 设 计 与 散 热 设 计 是 提高 电子 设 备 （ 产
品 ） 量 与 可 靠性 的 关键 环 节 。 质
关键 词 ： 电子 设 备 功 率 器 件
热设计
散 热 设计
Байду номын сангаас
０ 引言 件 的散 热 问题 。在功 率器 件上 安 装散 热器 ， 过散 热器 把 通 电子 设备（ 产品 ） 工作 过程 中 ， 在 随着 温度 达 到或超 过 功 率器 件上 的热量传 递 （ 用 自然 对流和 辐 射进行 冷 却 ） 利 规定 的温 度值 时 ， 会 引起或增 大 电子 设备 的失效 率 ， 就 也就 散 发 到周 围空 间 ， 并经散 热 风扇加 速 散热 。如 果是 大 型设 是 过热失 效。过热 失效 的原 因主要来 自电子 设备 中功率器 备上 的功 率器 件 ， 可 采 用流 动 冷水 冷 却板 ， 还 可达 到 更 好 件 的过热 。 因此 ， 好 电子设备 中功率器件 的热 设计 与散热 做 的散 热效 果。 设计是提 高 电子 设备（ 品 ） 产 质量 与 可靠性 的关键环 节。本 ３ 散热器 的设计 文就 电子 设备 中功率器 件 的热性 能、 功率器 件热 设计 、 热 散 型材 散 热器 的几何 结 构 由肋 片和基 座构 成 ， 要几 何 主 器 设计 、 散热技 术 的发展 等 ， 做进 一步 的研 究和探讨” 】 。 参 数包括 肋 片长 、 肋片厚 ， 片数 、 座厚 、 肋 基 基座 宽等 。 主 其 １ 功率器 件 的热性 能 要 产 品 有矩 形 肋 型材 散 热器 、 形 肋 型材 散 热器 、 角 形 梯 三 功 率 器 件在 受 到来 自器 件 本身 工 作 时 （ 内部 ） 产生 的 凹抛 物 线肋 型材 散热 器 等。型材 散 热器 的 热 或 受到器 件 壳体 （ 外部 ） 触 到 的热源 影 响 ， 得 不到及 肋型材 散 热器 、 接 又 底板 的设计 、 片厚 度 的设计 、 间距 的设 肋 肋 时 地 散 热 ， 会 导 致 功 率器 件 内部 芯 片 （ 源 区 ） 温度 设计 主要 包括 ： 就 有 的 计 、 热器 的校 核计 算、 散 合理 选取 散热器 Ｉ ４ １ 。 （ 结温 ） 高 ， 升 使器 件 的可靠 性 降低 无法 正 常工作 。功 率器 ３ １底板 的设计 。底 板 的厚 薄 不仅 会影 响其本 身 的热 ． 件 的热性 能 ： 温和 热 阻 。 结 Ｉ 阻 变化 ， 会影 响到 散热器 底 板 的温度 分布 和 均 匀性。 所 还 １１ 结温 。功 率器 件 的 内部 芯 片有 源 区（ 晶体 管 的 ． 如 底板 的设计 要 考虑好 板 的厚 度 、 长度和 高 度。 Ｐ Ｎ结 区 、 效应 器件 的沟 道 区、 场 集成 电路 的扩 散 电阻 或薄 以 ， ３２ 肋 片厚 度 的设计 。 肋片 薄散 热 快 ， － 但如 果 肋 片太 膜 电阻 等 ） 的温 度称 为结 温 。 当功 率器 件 的结 温 温度 （ Ｔ） 会 所 超 过 其环 境 温 度 （ ａ） ， 温差 变化 形 成 的热 扩 散 流 ， Ｔ 时 由 把 薄 ， 给加 工增加 困难 ， 以肋 片的厚度 要 适宜 。 ３３ 肋 间距 的设计 。肋 片 间距 小 ， ． 其热 阻 降低 ， 果肋 如 器件 芯 片上 的热量传 递 到 管壳并 向外散 发热 能 ， 并随 着器 间距过 小 ， 就会 影 响通 风 ， 降低发 散热 。 以肋 间距 的设计 所 件 结温 与环 境温 差（ｉＴ ） Ｔ— ａ的变 化增大 而使传 热 量增 大。 要综 合考 虑。 １ 热 阻。 功 率 器 件传 递 热 量 能力 的大 小 称 为 热 阻 ． ２ ３４ 肋 片高 度 的设计 。肋 片及 底板 的散热 可 形成 自然 ． （ ｔ ， 阻（ ｔ 的值 增 大 时 ， 率器 件 的散 热 能力就 减小 。 Ｒ ）热 Ｒ） 功 肋片 高散 热快 ， 但过 高却 失 去效 用（ 片超 过 一 肋 热 阻 分 为内 、 外热 阻 ： 内热 阻是 功率器 件 本身 的热 阻 ， 对 流换热 ， ① 并 定 高度 ， 其散 热量 没有 多大 改变 】反而 占用 空间 。 以 ， ， 所 肋 与功 率 器 件 的芯 片、 壳材 料 的导 热 率 、 度和 截 面 积 等 外 厚 有 关。② 外 热 阻是功 率 器件 外部 的热 阻 ， 与功 率器 件外 片 的高 度要根 据 实际 空间 需要来 设计 。 并 ３５ 散热器 的校 核计 算。功 率器件 工作 时其 壳体 温度 ． 部（ 壳） 管 的封 装 形 式（ 金 属 管 壳 的外 热 阻 ＜塑封 管 壳 ） 如 超过 １０ ， ０ ℃ 就会 导致故 障率 大增 。因此 ， 功率器 件 管壳体 有关 ， 且管 壳面积 越 大 ， 而 外热阻 越小 。 （ 板） 底 温度 应低于 １ ０Ｃ， 必须 采用 散 热器 对 功率 器件 ｏ 就 Ｏ ２ 功率 器件 的热 设计
大功率电子元器件及设备结构的热设计研究
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华北瞧力大学硕士学证论文
魄予设备热设计照撵瓣奄子设螯耗热凭器讳以及整桃戏系统慕用余逶静冷龆 技零辩壤稳设计，瓣荚滠舞邀行羧耩，觚ｌ｝器傺涯毫予设备或系绞霹纛王终。篓予溅 子设备热设计｛；霉题程绦证霉用、鼹溺电子设铸的性能及可靠骸方面的瀵袋性和广滋 适用性。以及在计算机微型化中的关键作用，荧国于２０世纪７０年代就开始投入人力、 物力进行研究。美国政府和军方从那时起颁布了一系列有关电予设备热衡理、热设 诗瓣激藏，莠臻确褒定，从方窳论诞黔段越虢努矮分辑过热霉ｌ起熬蛰謦孛豢爨秘怒羧 程度，提供最佳燕设计方察，势簧求在整个设计过程中，电予设备设计互携｝萃、热 设诗工程师和可靠性工程师要棚飘制约，密镯合作，将熟管理贯穿曦予系统和设铸 设计黛产懿全过程。魄予设餐熬热设诗技零，器终舞逛子嚣糕｛孛、设备濑系统霹纛 缝设计翡一臻主要肉签。大瓣攒湃戆研究魄予产品的热闯熬愚在八十冬代中熬。缀 然国井猩电子设备热设计秘热测爨方蘧技术开展较早，但热设计、热测试的研究成 果穗瓣鞍少；在热分掇方瑟瓣磷究较多，懑溅了套释离监热势掇款锋，主要黪决了 魂予浚餐滠凄努毒诗簿熬使速经秘潦确经。 （～）相荧研究成果
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臻究络暴表甓：寒冷教热器完全掰滚漾是敬煞要求，蹩簿决大功率宅子模块鼓 热的有效途径。同时运用有限元仿真技术不仅可以对试验进行理论预测，甚歪可以 鸷代部分试验，实现产品的幼态优化设计。
电子产品热设计
电子产品有效的功率输出要比电路工作所需输入的功率小得多。
多余的功率大部分转化为热而耗散。
当前电子产品大多追求缩小尺寸、增加元器件密度，这种情况导致了热量的集中，因此需要采用合理的热设计手段，进行有效的散热，以便产品在规定的温度极限内工作。
热设计技术就是指利用热的传递条件，通过冷却措施控制电子产品内部所有元器件的温度，使其在产品所在的工作条件下，以不超过规定的最高温度稳定工作的设计技术。
一、电子产品热设计的目的电子产品在工作时会产生不同程度的热能，尤其是一些功耗较大的元器件，如变压器、大功率晶体管、电力电子器件、大规模集成电路、功率损耗大的电阻等，实际上它们是一个热源，会使产品的温度升高。
在温度发生变化时，几乎所有的材料都会出现膨胀或收缩现象，这种膨胀或收缩会引起零件间的配合、密封及内部的应力问题。
温度不均引起的局部应力集中是有害的，金属结构在加热或冷却循环作用下会产生应力，从而导致金属因疲劳而毁坏。
另外，对于电子产品而言，元器件都有一定的工作温度范围，如果超过其温度极限，会引起电子产品工作状态的改变，缩短使用寿命，甚至损坏，导致电子产品不能稳定、可靠地工作。
电子产品热设计的主要目的就是通过合理的散热设计，降低产品的工作温度，控制电子产品内部所有元器件的温度，使其在所处的工作环境温度下，以不超过规定的最高允许温度正常工作，避免高温导致故障，从而提高产品的可靠性。
二、电子产品散热系统简介热传递的三种基本方式是传导、对流和辐射，对应的散热方式为：传导散热、对流散热和辐射散热。
典型的散热系统介绍如下：（1）自然冷却系统自然冷却系统是指电子产品所产生的热量通过传导、对流、辐射三种方式自然地散发到周围的空气中（环境温度略微升高），再通过空调等其他设备降低环境温度，达到散热的目的。
此类散热系统的设计原则是：尽可能减少传递热阻，增加产品中的对流风道和换热面积，增大产品外表的辐射面积。
自然冷却是最简单、最经济的冷却方法"旦散热量不大，一般用于热流密度不大的产品中。
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大功率电子元器件及设备结构的热设计
电子元器件以及电子设备已经在人们生产生活当中的各个领域内所应用。
随着电子元器件的集成度越来越高以及功率要求越来越大，因此必然会引起电器元器件的热效应，因此对于大功率电子元器件或电子设备需要进行热设计。
文章对大功率电子元器件及设备结构热设计的考虑因素，设计流程及要求以及主要参数计算等均作了简单阐述，可以对研究大功率电子元器件及设备结构的热设计起到积极作用。
标签：大功率；电子元器件；电子设备；热设计
前言
随着现代社会的发展，电子设备已经在人们的生产生活当中得到普遍应用。
因此电子设备的可靠性对于人们的生产生活具有十分重要的作用。
特别是在一些关键或核心领域，即使是一个小的电子元器件出现问题，都极易可能造成极大的危害。
特别是近些年随着硅集成电路的普遍应用，电路的集成得到了成倍的增加，因此各电子元器件或芯片的热量也得到了相应的增加。
同时在电子产品小型化，高功率的背景下，电子元器件或电子设备的散热问题就成为了保障设备安全可靠的关键性问题。
因此对于现代电子元器件或电子设备若想保持安全可靠性就需要采取科学合理的热设计。
1 大功率电子元器件及设备结构热设计的考虑因素
1.1 大功率电子元器件及设备结构的传热方式
大功率电子元器件及设备结构的传热方式有三种，即导热、对流和辐射。
其中导热基本是由气体分子不规则运动时相互碰撞，金属自由电子的运动，非导电固体晶格结构的振动以及液体弹性波产生的。
对流则是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。
对流仅发生在流体中，且必然伴随着导热现象。
流体流过某物体表面时所发生的热交换过程称为对流。
辐射主要为电磁波一般考察与太阳、空间环境间的传热时才考虑，其辐射传热系数为：
1.2 大功率电子元器件结温
从广义上将元器件的有源区称为“结”，而将元器件的有源区温度称为“结温”。
元器件的有源区可以是结型器件的Pn结区，场效应器件的沟道区或肖特器件的接触势垒区，也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等，默认为芯片上的最高温度。
大功率电子元器件的最高结温，对于硅器件塑料封装为125～150℃，金属封装为150～200℃。
对于锗器件为70～90℃当结温较高时（如大于50℃），结温每降低40～50℃，元器件寿命可提高约一个数量级。
所以对于航空航天和军事领域应用的元器件，由于有特别长寿命或低维护性要求，并受更换费用限制以及须承受频繁的功率波动，平均结温要求低于60℃。
1.3 大功率电子元器件的热环境
元器件的环境温度是指元器件工作时周围介质的温度。
对安装密度高的元器件的环境温度只考虑其附近的对流换热量，而不包括辐射换热和导热。
热环境按下列条件设定，冷却剂的种类、温度、压力和速度；设备的表面温度、性质和黑度；电子元器件和设备周围的传热途径。
2 大功率电子元器件及设备结构热设计的流程及要求
2.1 设计流程及要求
大功率电子元器件及设备结构热设计其实质是利用热的传递特性。
在设计上利用一些冷却装置进而将电子元器件及设备的热量进行转移。
其主要目的就是要为电子元器件及电子设备创造良好的热环境。
因此其设计的主要环节为掌握各个环节的热效应参数，并通过合理的冷却装置达到设备可靠性的要求。
大功率电子元器件及设备结构热设计的流程为首先明确热设计目的，而后掌握热设计原则，了解热设计的要求和步骤，利用正确的热设计方法最终得出热设计报告。
一般热设计的要求应满足电子元器件或电子设备的允许最高工作温度，满足电子元器件或电子设备的热环境工作要求，满足电子元器件或电子设备冷却系统的限制要求，满足相应的国家标准及规范。
2.2 设计原则
（1）电子元器件或电子设备的升温由散热量来控制；（2）大功率电子元器件及设备结构热设计必须选择合理的热传递方式；（3）电子元器件或电子设备的功耗、热阻及温度是设计当中的重要参数；（4）选取冷却系统应注重简单、有效、经济并适用于环境条件的要求；（5）要通盘考虑尺寸、重量、电路布局等综合性因素；（6）热设计需要与电气和机械设计紧密配合并保持实时性；（7）热设计不允许有损于电子元器件或电子设备的电性能；（8）其他具体性要求要根据产品的实际需求综合考虑，并允许出现大的容差。
3 大功率电子元器件及设备结构热设计的主要参数计算
3.1 元器件总热阻
元器件总热阻=内热阻+表面热阻+外热阻，其中内热阻一般由元器件生产商提供与设计和生产方法有关，不是严格意义上的内热阻，不受外部散热翅片或其它散热方式影响。
表面热阻为元件封装上表面与散热翅片下表面间隙间的导热接触热阻无法准确预测，即使最准确的实验测量也会有20%的误差。
外热阻是电子设备热设计工程师可改变的以散热翅片为例，外热阻与翅片材料的导热系数、翅片效率、表面面积和表面对流换热系数有关。
3.2 热沉和热流分配
热流量经传热途径至最终的部位，通称为“热沉”。
它的温度不随传递到它的热量大小而变，它相当于一个无限大的容器，可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，这取决于被冷却设备所处的环境。
电子设备内的热流量以多种形式通过不同的路径进行传递，最后达到热沉，使各个节点的温度保持在所要求的数值范围内。
从实际传热观点而言，热设计时应利用中间散热器，它们一般都属于设备的一部分。
它们可以是设备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。
3.3 理论耗散功耗
电子器件产生的热量是其正常工作时必不可少的副产物。
当电流流过半导体或者无源器件时，一部分功率就会以热能的形式散失掉。
耗散功率为：Pd=VI
如果电压或者电流随时间变化，则耗散功率由平均耗散功率给出：
3.4 电感和电容
电感电路中没有能量损耗，但是，在储能、释能过程中，电感与电源之间不断地进行着能量互换。
这种能量互换的规模通常为无功功率PQ。
由两个金属板极并在其间夹有电绝缘介质构成的能够积累电荷、储存电场能量的元件。
电容器不消耗电源能量，只是与电源作周期性能量互换。
3.5 冷却方法的选择
温升为40度时，各种冷却方法的热流密度和体积功率密度值。
冷却方法可以根据热流密度与温升的要求，按图所示关系进行选择，这种方法适用于温升要求不同的各类设备的冷却。
利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控制。
而辐射换热则需要比较高的温差，且传热路径不易控制。
对流换热需要较大的面积。
在安装密度较高的设备内部难以满足要求。
4 结束语
综上所述，大功率电子元器件及设备结构的热设计首先要掌握大功率电子元器件及设备结构的传热方式，大功率电子元器件结温和大功率电子元器件的热环境。
在这一基础上通过相应的设计流程和原则对元器件总热阻，热沉和热流分配，理论耗散功耗以及电感和电容等参数进行计算，最终选定冷却方法进而完成大功率电子元器件及设备结构的热设计。
参考文献
[1]罗锐.海军机载电子产品（电子方舱）的可靠性设计与仿真试验[J].舰船电子工程，2015，4：16-18+50.
[2]张斌，武沛勇，韩凤廷.一种新型电子设备热设计分析[J].无线电通信技术，2011，5：41-43.
[3]胡丽华，钟志珊，赵杰.热管散热模组在机载电子设备热设计中的应用[J].航空电子技术，2014，2：35-42.
[4]窦木辉.电子设备的热设计方法[J].电子制作，2013，14：238.。