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功率半导体风冷散热器的选配
作者: 信息部 || 时间: 2013-9-7 || 来源: 信息部 || 点击: 5187

功率半导体元件在工作时,自身必然要产生热损耗。但若发热量太大,且又来不及向周围媒质消散,元件就会因超过其正常工作的保证温度而失效。因此,选配合适的散热器,是元件可靠工作的重要条件之一。

1. 概念

(1) 元件工作结温Tj:即元件允许的最高工作温度极限。本参数由制造厂提供,或产品标准强制给出要求。

(2) 元件的损耗功率P:元件在工作时自身产生的平均稳态功率消耗,定义为平均有效值输出电流与平均有效值电压降的乘积。

(3) 耗散功率Q:特定散热结构的散热能力。

(4) 热阻R:热量在媒质之间传递时,单位功耗所产生的温升。

R = ΔT / Q

2. 散热器的选配

设环境温度为Ta。散热器的配置目的,是必须保证它能将元件的热损耗有效地传导至周围环境,并使其热源_即结点的温度不超过Tj。用公式表示为

P < Q = ( Tj - Ta ) / R ①

(当然,热量的消散除对流传导外,还可辐射。在后面讨论)

而热阻又主要由三部分组成:

R = Rjc + Rcs + Rsa ②

Rjc:结点至管壳的热阻;

Rcs:管壳至散热器的热阻;

Rsa:散热器至空气的热阻。

其中,Rjc与元件的工艺水平和结构有很大关系,由制造商给出。

Rcs与管壳和散热器之间的填隙介质(通常为空气)、接触面的粗糙度、平面度以及安装的压力等密切相关。介质的导热性能越好,或者接触越紧密,则Rcs越小。

(参考值:我厂凸台元件的风冷安装,一般可考虑Rcs≈0.1Rjc)

Rsa是散热器选择的重要参数。它与材质、材料的形状和表面积、体积、以及空气流速等参量有关。

综合①和②,可得

Rsa <〔( Tj - Ta ) / P〕- Rjc - Rcs ③

上式③即散热器选配的基本原则。

一般散热器厂商应提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线,据此设计人员可计算出所需散热器的表面积、长度、重量,并进一步求得散热器的热阻值Rsa。

3. 注意事项

上面的理论分析是一个普适原则,在实际设计中应留出足够余量。因为提供数据的准确性、由元件到散热器的安装状况、散热器表面的空气对流状态、热量的非稳态分布等,都是非理想化的因素,应预考虑。

另外,散热器表面向空气的热辐射,也是一种热耗散方式。在自冷设计中广泛应用的阳极氧化发黑和打毛处理工艺,即是增加热辐射的有效办法。但该办法明显不适用要求强迫风

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