功率器件的散热计算及散热器选择

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.
其中 T1-T2 为两点温度之差,P 为传输的热功率,RT 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 RT 之间有以下的关系
Tj-Ta=PCM×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 PCM 就越可以提高.下面我们来看看管子的散热途径及等
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 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 Rja。
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.
散热计算公式: Rsa = (Tj- TA)／PD - 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，PD 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 RT: RT = (Tjmax- TA)／PD
（2） 计算散热器热阻 Rsa 或温升 ΔTsa： Rsa = RT－Rjc－Rcs ΔTsa＝Rsa×PD
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
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 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。
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。
（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 PD 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：
Rja≤(Tj-TA)/ PD 则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻 Rsa 为
Rsa≤[(Tj-TA)/over( PD)]-(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 TA=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。PD 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。
α＝7.2ψ1ψ2ψ3{√√ [(Ts - TA)／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 - TA)／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 PD′ 单面肋片：PD′＝nq0 双面肋片：PD′＝2nq0 若 PD′ ＞PD 时则能满足要求。
若已知管子的总热阻为 RT,则在环境温度为 TA 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.
关于散热器的计算方法
参数定义： RT ------ 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，℃； TA ------ 环境温度，℃； PD ------ 半导体器件使用功率，W； ΔTsa ------ 散热器温升，℃；
Rca
Rsa
Ta
A 散热器 S
(a)
(b)
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
RT= Rjc+ Rca 而大功率管加散热器后,一般总有 Rcs+ Rsa<<Rca,则
(1-3)
RT≈ Rjc+ Rcs+ Rsa
(1-4)
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×RT
(1-1)
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。
查 PA02 器件资料可知:静态电流 IQ 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 PD: PD = PDQ+ PD OUT 式中 PDQ 为器件内部电路的功耗，PD OUT 为输出功率的功耗。PDQ = IQ (Vs+|-Vs|)，PD OUT= Vs 2/4RL，代入上式得: PD = IQ (Vs+|-Vs|)+ Vs 2/4 RL =37mA(36V)+182V/4×4 =21.58≈21.6W 式中静态电流取 37mA。 散热器热阻 Rsa 计算:Rsa≤({Tj-TA}/over{ PD})-(Rjc+Rcs) 为留有余量，Tj 设 125℃，TA 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。
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.
环境 A