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功率器件热设计及散热计算

时间:2010-06-17


功率器件热设计及散热计算

引言 当前,电子设备的主要失效形式就是热失效.据统计,电子设备的失效有 55%是温度超过规定值引起的,随着温度的增加, 电子设备的失效率呈指数增长.所以,功率器件热设计是电子设备结构设计中不可忽略的一个环节,直接决定了产品的成功与 否,良好的热设计是保证设备运行稳定可靠的基础.

功率器件热性能的主要参数 功率器件受到的热应力可来自器件内部,也可来自器件外部.若器件的散热能力有限,则功率的耗散就会造成器件内部芯 片有源区温度上升及结温升高,使得器件可靠性降低,无法安全工作.表征功率器件热能力的参数主要有结温和热阻. 器件的有源区可以是结型器件(如晶体管)的 PN 结区,场效应器件的沟道区,也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等. 当结温 Tj 高于周围环境温度 Ta 时,热量通过温差形成扩散热流,由芯片通过管壳向外散发,散发出的热量随着温差(Tj-Ta)的 增大而增大.为了保证器件能够长期正常工作,必须规定一个最高允许结温 Tj max.Tj max 的大小是根据器件的芯片材料,封 装材料和可靠性要求确定的. 功率器件的散热能力通常用热阻表征,记为 Rt,热阻越大,则散热能力越差.热阻又分为内热阻和外热阻:内热阻是器件 自身固有的热阻,与管芯,外壳材料的导热率,厚度和截面积以及加工工艺等有关;外热阻则与管壳封装的形式有关.一般来 说,管壳面积越大,则外热阻越小.金属管壳的外热阻明显低于塑封管壳的外热阻. 当功率器件的功率耗散达到一定程度时,器件的结温升高,系统的可靠性降低,为了提高可靠性,应进行功率器件的热设 计. 功率器件热设计 功率器件热设计主要是防止器件出现过热或温度交变引起的热失效,可分为器件内部芯片的热设计,封装的热设计和管壳 的热设计以及功率器件实际使用中的热设计.

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对于一般的功率器件,只需要考虑器件内部,封装和管壳的热设计,而当功耗较大时,则需要安装合适的散热器,通过其 有效散热,保证器件结温在安全结温之内正常可靠的工作. 散热计算 最常用的散热方法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 速加强散热.在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板,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. 热量在传递过程中有一定热阻.由器件管芯传到器件底部的热阻为 Rjc,器件底部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+Rcs+Rsa.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. 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)/Pd-(Rjc+Rcs) 为设计考虑,一般设 Tj 为 125℃.在较坏的环境温度情况下,一般设 Ta=40℃~60℃.Rjc 的大小与管芯的尺寸和封装结构 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℃/W~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. 计算实例 一功率运算放大器 PA02 作低频功放,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 剑绷魈跫鹿ぷ髌德士纱?kHz,环境温度设为 40℃,采用自然冷却. 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+Pdout 式中 Pdq 为器件内部电路的功耗,Pdout 为输出功率的功耗.Pdq=Iq(Vs+|-Vs|),Pdout=Vs2/(4 RL),代入上式 Pd=Iq(Vs+|-Vs|)+Vs2/(4 RL) =0.037×(18+18)+182/(4×4) =21.6 W 式中,静态电流取 37mA. 散热器热阻 Rsa 计算:Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs) 为留有余量,Tj 设为 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)/21.6-(2.6+0.2)≤1.135℃/W HSO4 在自然对流时热阻为 0.95℃/W,可满足散热要求.

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