高等电力电子技术1通态损耗

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9.1.1稳态热阻
依据式（9-1），假设散热器的耗散功率为 Pd 、环境温度
为 Ta ，则芯片到外界环境的总热阻可以表示为：
wk.baidu.comRθj-a

T Pd
Tjmax Ta Pd
（9-4）
在实际情况中常常把总热阻 R分θj-a为三个部分 ： 第一部分是从管芯到管壳之间的结-壳热阻 R；θj-c 第二部分是从管壳到散热器之间接触热阻 R；θc-s 第三部分则是从散热器到环境之间的散热器热阻 。 Rθs-a
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9.1.1稳态热阻
为了理解方便，人们常常用电学模拟的方法来描述热量的传输
，将两点或区域间的温差T类同于电压，单位时间通过散热面的热
量Pd类同于电流，两者的比值 T 则/ P被d 称作热阻 。类R似θ 于电路的
欧姆定律，热学中的欧姆定律可表示为：
T （P9d -1R）θ
式中 P为d 散热速率，单位是W，表示发热体单位时间内产生的热量
瞬态热阻抗就是为了计算 开通、关断、浪涌等瞬态时 的结温、功耗或负载能力而
引入的。
国家标准中瞬态热阻抗的定义为 ：在某一时间间隔末，两规定点（或 区域）温差变化与引起这一温差变化 的、在该时间间隔初始按阶跃函数变 化的耗散功率之比。
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9.1.2 瞬态热阻
瞬态热阻抗反映了散热体的热惯性在热量传递过程中
式中， 是器件的热
时间常数（R类θC似θ于电学的RC时间常数）； 表示热容量（J/℃）。
Cθ 对于体积为 ，热容为 ，密度为V 的导热材C料，定义其热容
当 Rθc-a (Rθc-s Rθs-a ) 时，即发热器件安装有散热片、管 壳向外界环境直接辐射散热的作用可以忽略时，式(9-6)可简 化为(9-5)。
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9.1.1稳态热阻
以上分析仅考虑了散热体单 面散热的情况，如器件在实 际应用中采用双面散热，可 用并联电路来模拟分析，将 器件阴极热阻与阳极热阻分 别作为并联的两个分路进行 考虑。若忽略管壳到环境的 热辐射，则双面散热等效热 网络如图9-3所示：
，当温度稳定以后，此功率即等于器件功耗。
热阻 的Rθ单位为℃/W，它是一个与散热材料、散热方式、散热面
积、安装方式等相关的物理参数，是反映散热体散热性能的一个综 合参数。
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9.1.1稳态热阻
热阻 R可θ 用下式表示：
1
Rθ （hA9-2） 式中A为散热体的散热面积，单位是m2；h是散热系数，表 示在稳定传热条件下，1m厚的材料，温差为1°C，在1小时内 ，通过1平方米面积传递的热量，单位为W/(℃.m2)。
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Advanced Power Electronics
高等电力电子技术 第9章电力电子器件的热设计
基本内容
9.1
稳态热阻与瞬态热阻
9.2
耗散功率与结温
9.3
耗散器常用的冷却方式及特点
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9.1 稳态热阻与瞬态热阻
正常情况下，电力电子器件的主要热源是半导体芯片内部。电能消耗 产生的热量首先通过热传导转移到管壳和散热器上，然后经热传导、 对流和热辐射等三种基本传导方式散发给空气、液体和固体等吸热介 质。 在这三种基本传导散热方式中，热辐射散失的热量很少，通常只占总 散失热量的极少部分。在利用空气散热的自然冷却和风冷却方式中， 对流是热量通过管壳或散热器向空气散发的主要方式。当用水或其它 液体介质散热时，散热器壁与散热介质之间的热传导则成为主要的散 热方式。
Rθj-a
Rθj-c

Rθc-a (Rθc-s Rθs-a ) Rθc-a Rθc-s Rθs-a
96
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9.1.1稳态热阻
当 Rθc-a (Rθc-s Rθs-a ) 时，式(9-6)可简化为：Rθj-a Rθj-c Rθc-a ，在实际情况中，这相当于未装散热器的小功率场合；
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9.1.2 瞬态热阻
以上讨论的稳态热阻实际上反映了器件散热的稳态特性。
在脉冲宽度较短，占空比较低的情况下，峰值结温有可能 远高于平均结温，成为器件工作特性的主要限制因素。这时， 结温的高低不仅与器件的功率损耗有关，还在很大程度上取决 于电流脉冲的形状、脉冲的宽度和重复频率，因而热阻的概念 不再适用。
近，而单脉冲条件下的曲线则反映了器件每消耗1W功率所
引起的结温升随脉冲持续时间 变tp化的情况。
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9.1.2 瞬态热阻
为了便于分析，假设引起器件温
升的脉冲功率是峰值为 P的p 矩形波，
其温升随时间变化关系见图9-4。
当脉冲持续时间足够长时的器件温升
t 为 T，0 则脉冲持续时间为 时p的器件温升，按电量关系描述可写成： - tP T (tP ) （9T-01(10）e τ )
对热阻的改变，因而与稳态热阻仍保持有一定的关系。即
可用稳态热阻 Rθ将瞬态热阻抗 表Zθ示为：
Zθ r(（tp ,9-9)R）θ
式中
， 是r(一tp ,个 )与脉冲宽度 及占空tp比 有关的比 例因子，本质
上也就是以稳态热阻 为1 的归R一θ 化热阻抗。
当式（9-9）中的占空比 无限缩小时即向单脉冲条件逼
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9.1.1稳态热阻
若忽略从管壳到环境的直接热辐射作用，总热阻可表示为式（9-5）， 相应的等效热网络如图9-1所示。
Rθj-a Rθj-c Rθc-s （ R9θ-s-5a ）
若考虑到从管壳到环境的直接热 辐射作用 ，则总热阻 可表示为式（ 9-6），相应的等效热网络如图9-2所 示。
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9.1.1稳态热阻
在组成总热阻的三项中： 第一项结壳热阻Rθj-c 是一个与器件所用材料几何形状 及接触情况相关的参数，而且与器件制造工艺有关。结壳热 阻还与器件应用条件有关，即与电流波形、导通角、工作频 率等相关。 第二项接触热阻 Rθs-a 与接触面积、散热器材料、表面 粗糙度、接触压力等因素相关。接触面积越小、金属材料越 硬、表面粗糙度和不平度越差、接触压力越小, 接触热阻就 越大。 第三项散热器热阻 Rcs与散热器材质、结构尺寸、表面 状况、功耗元件的安装位置以及冷却介质的性质及状态等多 种因素有关。