半導(dǎo)體功率器件的散熱設(shè)計(jì)

王小文

摘要：本文主要闡述功率器件的散熱原理及加裝散熱器的必要性，介紹如何正確選用散熱器。

關(guān)鍵詞：結(jié)溫；散熱器；散熱；熱阻

中圖分類(lèi)號(hào)：TU832文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

Abstrct: This paper?mainly expounds the necessity?and?principle of power?devices with?heat?radiator,?introduces?how to choose the right?radiator.

Keyword: junction temperature? radiator ?coolingthermal?resistance

引言

半導(dǎo)體功率器件是多數(shù)電子設(shè)備中的關(guān)鍵器件，其工作狀態(tài)的好壞直接影響整機(jī)可靠性。相關(guān)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，器件工作溫度直接影響其自身的可靠性，但是在功率轉(zhuǎn)換電路中，器件自身會(huì)消耗一部分能量，這部分能量會(huì)轉(zhuǎn)換為熱量，使器件的管芯發(fā)熱、結(jié)溫升高，當(dāng)結(jié)溫超過(guò)器件自身規(guī)定的允許值時(shí)，電流會(huì)急劇增大而使晶體管燒毀。要保證結(jié)溫不超過(guò)允許值，就必須將產(chǎn)生的熱量有效的散發(fā)出去。

要解決散熱問(wèn)題可以從如下兩方面入手，一是通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方式來(lái)減少發(fā)熱量，如采用通態(tài)壓降低的器件；另一方面是利用傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射的傳熱原理，將熱量快速釋放到周?chē)h(huán)境中去，以減少熱積累，使器件工作溫度降低，如采用合適的散熱器。

本文主要針對(duì)上述第二個(gè)方面進(jìn)行探討，分別從熱設(shè)計(jì)相關(guān)概念、散熱過(guò)程、正確選用散熱器方法以上三個(gè)方面進(jìn)行分析，以實(shí)例介紹方法的有效性。

散熱過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，影響因素較多，本文僅針對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行介紹，所有計(jì)算均為理想計(jì)算，與實(shí)際情況會(huì)存在一定的偏差。

一、熱設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)

1.耗散功率

在電路中功率器件自身消耗的功率。

2.熱阻

熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力，即 1W的熱量所引起的溫升大小，單位為℃/W或K/W。

3.元件最高結(jié)溫

元件允許的最高工作溫度極限，可參考本文提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

4.散熱器

用于加速發(fā)熱體散熱，防止元件熱積累的裝置，一般分為型材散熱器和叉指散熱器。

5.散熱器規(guī)格實(shí)例

YCZ8-25-6-H

表面處理: H---黑色; Y---銀色

加工孔樣

切斷長(zhǎng)度(mm)

散熱器型號(hào)

二、散熱過(guò)程

根據(jù)熱傳導(dǎo)特點(diǎn)，兩點(diǎn)之間有溫度差時(shí)，熱能總會(huì)從高溫點(diǎn)流向低溫點(diǎn)。通常器件最主要的發(fā)熱部分在半導(dǎo)體芯片內(nèi)部，熱傳導(dǎo)過(guò)程可以參照?qǐng)D1，其熱量通過(guò)管芯傳到外殼、外殼傳至散熱器、散熱器傳至環(huán)境，各部分熱阻可分別表示為：

管芯至管殼熱阻Rthj；管殼至散熱器熱阻Rthcs；散熱器至空氣的熱阻Rthsca

總熱阻= Rth=Rthj+Rthc+Rthsca

當(dāng)芯片單位時(shí)間內(nèi)消耗的功率所產(chǎn)生的熱量與單位時(shí)間內(nèi)散發(fā)出去的熱量相等時(shí)，芯片的溫度就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)溫也就不再升高了。

熱回路與電路圖很相似，它可用電學(xué)模擬方法描述熱量傳輸。也就是可將溫差△T看成電壓，單位時(shí)間內(nèi)器件功耗P看成電流，而熱阻R則與電阻相似,這樣功耗、溫差和熱阻之間的關(guān)系就和歐姆定律相似，參照畫(huà)電路圖的方法可以給出熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)圖（圖2），該熱路圖可以表示為：

圖 1 圖2 熱路圖

按照上述熱傳導(dǎo)關(guān)系，可以計(jì)算出散熱器的熱阻，根據(jù)散熱器熱阻可以進(jìn)一步尋找到滿(mǎn)足條件的散熱器。一般散熱器廠商會(huì)根據(jù)使用環(huán)境會(huì)給出自然冷卻熱阻、溫升曲線（圖3）和風(fēng)冷冷卻熱阻、溫升曲線（圖4），但對(duì)于沒(méi)有上述曲線的型材散熱器，其自然冷卻熱阻、溫升曲線可以計(jì)算得出。

圖3 自然冷卻熱阻、溫升曲線圖4風(fēng)冷冷卻溫升曲線

三、散熱選型設(shè)計(jì)

在熱設(shè)計(jì)中，散熱器選型應(yīng)滿(mǎn)足以下原則：“散熱器熱阻小于熱路中計(jì)算出的散熱器熱阻；散熱器的散熱功率大于熱源損耗功率”。

根據(jù)以上原則，自然冷卻及強(qiáng)迫風(fēng)冷兩種使用環(huán)境下，散熱器選型設(shè)計(jì)可按照以下步驟進(jìn)行。

1、自然冷卻散熱器選擇步驟

（1）計(jì)算總熱阻

其中; Tjmax為晶體管允許最高結(jié)溫

Ta 為環(huán)境溫度

Pc為熱源最大損耗功率

（2）計(jì)算散熱器熱阻

其中：Rthj結(jié)殼熱阻，可以通過(guò)晶體管器件手冊(cè)熱阻曲線查出

Pthcs 殼到散熱器的熱阻，根據(jù)接觸面的處理方式，查找相關(guān)文件得出，可參照本文后面附圖1。

（3）確定散熱器型號(hào)

叉指形散熱器或型材散熱器

（4）根據(jù)熱阻、溫升曲線選擇合適的散熱器

根據(jù)廠商提供的散熱器熱阻、溫升曲線，結(jié)合散熱器選定原則，可以直接找到合適的散熱器；

對(duì)于沒(méi)有給出相應(yīng)曲線的型材散熱器可按照以下步驟求出：

a)求出散熱器綜合散熱系數(shù)

式中:

ρ1—描寫(xiě)散熱器L/b 對(duì)μ的影響，附圖2查得（L 為散熱器的長(zhǎng)度，b 為兩肋間距）；

ρ2—描寫(xiě)散熱器h/b 對(duì)μ的影響，附圖3查得（h 為散熱器肋片的高度）；

ρ3—描寫(xiě)散熱器寬度尺寸W 增加時(shí)對(duì)μ的影響，附圖4查得；

， 描寫(xiě)散熱器表面最高溫度及周?chē)h(huán)境溫度對(duì)μ的影響，附圖5查得；

b)計(jì)算兩肋片間的表面所散發(fā)的功率

c)計(jì)算散熱器散熱功率pc

單面肋片：

雙面肋片：

若時(shí)則能滿(mǎn)足要求。

d)驗(yàn)算

先計(jì)算已知散熱器面積s:

式中：——散熱器基板厚度。

計(jì)算散熱器的熱阻則選擇合理，若不滿(mǎn)足則需要重新選擇散熱器重復(fù)a~d步驟，直到滿(mǎn)足為止。

2、強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的選擇步驟

（1）計(jì)算總熱阻

其中：Tjmax為晶體管允許最高結(jié)溫

pc 為熱源最大損耗功率

（2）計(jì)算散熱器熱阻

其中：Rthj結(jié)殼熱阻，可以通過(guò)晶體管器件手冊(cè)熱阻曲線查出

Rthcs 殼到散熱器的熱阻，根據(jù)接觸面的處理方式，查找相關(guān)文件得出，可參照本文后面附表。

（3）確定散熱器型號(hào)

叉指形散熱器或型材散熱器

（4）根據(jù)散熱器的風(fēng)冷熱阻、溫升曲線，選擇合適的散熱器和風(fēng)速。

五、實(shí)例分析

已知某電路使用三極管MJ11032，其耗散功率為52.5W，環(huán)境溫度為40℃，自然冷卻條件下，論證選用下圖5中散熱器，是否能滿(mǎn)足要求。

圖5 散熱器示意圖

首先根據(jù)MJ11032數(shù)據(jù)手冊(cè)中“損耗功率-溫度”曲線（圖6），可知最高結(jié)溫為200℃，根據(jù)上述曲線，可知要保證器件耗散功率為52.5W，其最高結(jié)溫不能超過(guò)169℃。

圖6 損耗功率-溫度曲線

按照自然冷卻散熱器計(jì)算步驟：

（1）計(jì)算總熱阻

（2）計(jì)算電路要求的散熱器熱阻

(3)按照型材散熱器熱阻計(jì)算方法，計(jì)算實(shí)際散熱器熱阻和功率pc

首先計(jì)算綜合散熱系數(shù)：

(4)驗(yàn)算

(5)結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果和散熱器應(yīng)滿(mǎn)足的原則，認(rèn)為該散熱器能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。以上計(jì)算結(jié)果為理想計(jì)算，與實(shí)際情況可能存在偏差，并且在實(shí)際應(yīng)用中為了滿(mǎn)足可靠性要求一般晶體管需要降額使用，具體降額標(biāo)準(zhǔn)可以參照《中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)元器件降額準(zhǔn)則》要求進(jìn)行考慮。

附圖1

管殼與散熱器之間材料與熱阻關(guān)系表

附圖2

散熱器的深度與肋片間距之比對(duì)綜合散熱系數(shù)的影響

附圖3

肋片高度與肋片間距之比對(duì)綜合散熱系數(shù)的影響

附圖4

散熱器最大外形尺寸對(duì)綜合散熱系數(shù)的影響

附圖5

散熱器表面最高溫度相對(duì)環(huán)境溫度對(duì)綜合散熱系數(shù)的形象

參考文獻(xiàn)

【1】 《半導(dǎo)體器件散熱器圖冊(cè)》

【2】《中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)元器件降額準(zhǔn)則》