功率器件的散热计算及散热器选择详细说明

功率器件的散热计算及散热器选择H e a t D i s p e r s i o n C a l c u l a t i o n F o r P o w e r D e v i c e s a n d R a d i a t o r s S e l e c t i o n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外壳C 散热器S (a)Pc (b) 易腾科技有限公司w w w s r p .c o mRcs 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100(cm 2) Rsa (℃/W 10 50 7 10 5×10 10 深圳市蜀易腾科技司w w w .s y t -s r p .c o m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 。

深圳市蜀易腾科技有限公司w w w .s y t -s r p .c o m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。