半导体功率器件的散热计算(精)

半导体功率器件的散热计算

晨怡热管2006-12-31 0:58:06

【摘要】本文通过对半导体功率器件发热及传热机理的讨论，导出了半导体功率器件的散热计算方法。

【关键词】半导体功率器件功耗发热热阻散热器强制冷却

一、半导体功率器件的类型和功耗特点

一般地说，半导体功率器件是指耗散功率在1瓦或以上的半导体器件。

按照半导体功率器件的运用方式，可分为半导体功率放大器件和半导体功率开关器件。

1、半导体功率放大器件

半导体功率放大器又因其放大电路的类型分为甲类放大器、乙类推挽放大器、甲乙类推挽放大器和丙类放大器。甲类放大器的理论效率只有50%，实际运用时则只有30%左右；乙类推挽放大器的理论效率也只有78.5%，实际运用时则只有60%左右；甲乙类推挽放大器和丙类放大器的效率介乎甲类放大器和乙类推挽放大器之间。

也就是说，半导体功率放大器件从电源中取用的功率只有一部分作为有用功率输送到负载上去，其余的功率则消耗在半导体功率放大器件上，半导体功率放大器在工作时消耗在半导体功率放大器件上的功率称为半导体功率放大器件的功耗。

半导体功率放大器件的功耗为其集电极—发射极之间的电压降乘以集电极电流：

P D=U ce·I c

（式1—1）

式中P D为半导体功率放大器件的功耗（单位W）。

U ce为半导体功率放大器件集电极—发射极之间的电压降（单位V）。

I c

为半导体功率放大器件的集电极电流（单位A）。

线性调整型直流稳压电源中的调整管是工作在放大状态的半导体功率放大器件，所以其功耗的计算和半导体功率放大器件的功耗计算是相似的。例如一个集成三端稳压器，其功耗就是：输入端—输出端电压差乘以输出电流。

2、半导体功率开关器件

半导体功率开关器件例如晶体闸流管、开关三极管等。它们的工作状态只有两个：关断（截止）或导通（饱和）。

理想的开关器件在关断（截止）时，其两端的电压较高，但电流为零，所以功耗为零；导通（饱和）时流过它的电流较大，但其两端的电压降为零，所以功耗也为零。也就是说，理想的开关器件的理论效率为100%（无损耗）。

但实际的半导体功率开关器件在关断（截止）时，其两端的电压最高，但电流不为零，总有一定的反向穿透电流I O，则其关断（截止）时的功耗为：

P OFF= U ce·I O（式1—2）

式中：P OFF为半导体功率开关器件在关断时的功耗（单位W）。

U ce为半导体功率开关器件集电极—发射极之间或阳极—阴极之间的的电压（单位V）。

I O为半导体功率开关器件的反向穿透电流（单位A）。

由于目前常用的半导体功率开关器件大多数是使用硅材料制造的，其反向穿透电流一般为微安级，所以半导体功率开关器件在关断时的功耗实际上是很小的，一般为毫瓦级。

实际的半导体功率开关器件在导通（饱和）时，其两端的电压很低，称为导通压降（饱和压降），对于常用的硅器件大约为0.3伏，但由于导通电流一般很大，约为几安到几十安，甚至几百安，所以其导通（饱和）时的功耗一般为几瓦到几十瓦。

实际的半导体功率开关器件在导通（饱和）时，其功耗为：

P on= U S·I S（式1—3）

式中：P on为半导体功率开关器件在导通（饱和）时的功耗（单位W）。

U S为半导体功率开关器件导通压降或饱和压降（单位V）。

I S为半导体功率开关器件的导通电流或饱和电流（单位A）。

另外，实际的半导体功率开关器件在导通（饱和）和关断（截止）状态之间转换时必然要经过一个中间过程，这个过程的电压和电流均较大，如果开关器件的开关特性良好，则这个过程时间很短，功耗较小；如果开关器件的开关特性较差，则这个过程时间较长，功耗较大。

以上三个过程的功耗之和，就是实际的半导体功率开关器件在一个工作周期内的功耗。

综上所述，无论是半导体功率放大器件还是半导体功率开关器件在工作时都不可避免地产生功率损耗，功耗的能量将以热量的形式散发出来，使半导体器件的温度升高。

二、功耗、热阻和温升

如前所述，半导体功率器件的管耗将会使半导体器件的温度升高。当半导体器件的温度升高到一定值时，其内部结构，即PN结将破坏而使器件失效。例如，对于锗材料器件，结温度达到约90℃时PN结将会破坏，而对于硅材料器件，这个温度大约是200℃。

为了使半导体功率器件能正常工作，锗材料器件的极限工作温度一般规定为80℃，而硅材料器件的极限工作温度一般规定为150℃。

如果能把半导体功率器件工作时发出的热量及时散发到周围环境中去，则其工作温度就可能维持在极限工作温度以下，器件就可以处于安全的温度环境之中。

对于不同散热条件的器件，消耗同样功率时的温升是不同的。我们把每单位功耗下器

件系统的温升定义为热阻，一般用符号Rθ表示，其单位是W/℃。

器件系统的热阻等于其管芯的热量传递到周围环境的传热途径上所有环节的热阻的总和，即：

R jAθ=R jCθ+R CS

θ+R SAθ（式2—1）

式中：

R jAθ—器件外壳的总热阻

R jCθ—管芯到外壳的热阻

R CS

θ—外壳到器件表面的热阻

R SAθ—器件表面到周围环境的热阻

图2 —1为半导体功率器件安装的示意图

图2 — 1 半导体功率器件安装示意图

图2 — 2为半导体功率器件的传热途径和热阻示意图

图2 — 2 半导体功率器件的传热途径和热阻示意图

在热传导过程中，功耗温升与热阻之间有以下关系：

P D = ∑∆θR T

（式2—2）

式中：

P D — 半导体器件的功耗，单位：W ΔT — 芯片与环境的温度差，单位：℃