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半导体器件的散热器设计

晨怡热管 2011-9-19 11:20:07
 半导体开关器件所产生的热量,在开关电源中占主导地位,其热量主要来源于半导体开关器件的开通、 关断及导通损耗。采用软开关方式(ZCS或ZVS)可以使电路中的电压或电流在过零时开通或关断,可以最 大限度地减少开关损耗,但是也无法彻底消除开关管的损耗,故利用散热器是常用的主要方法之一。

  1 散热器的热阻模型

  散热器是开关电源的重要组成元件,它的散热效果的好与坏关系到开关电源的工作性能。散热器通常采 用铜或铝,虽然铜的热导率比铝高两倍,但其价格比铝高得多,故目前普遍采用铝型材做散热器。铝型材 的表面积越大,其散热效果越好。散热器的热阻模型及其等效电路如图1(a)、(b)所示。


  图1 散热器的热阻模型及其等效电路

  半导体结温公式如下:

  式中 PC——功率开关管工作时的损耗;
          PC max——功率开关管的额定最大损耗;
      Tj——功率开关管的结温;
      Tj max——功率开关管的最大允许结温;
      Ta——环境温度;
      Tc——预定的工作环境温度;
      Rs——绝垫热阻;
      Rc——接触热阻(半导体管和散热器的接触部分);
      Rf——散热器的热阻(散热器与空气);
      Ri——内部热阻(PN结接合部与外壳封装);
      Rb——外部热阻(夕卜壳封装与空气)。

  根据图(b)所示的热阻等效电路,全热阻可以写成为

  Rj-a=Ri+[Rb.(Rs+Rc+Rf)]/(Rb+Rs+Rc+Rf)

  因为Rb》(Rs+Rc+Rf),故可以近似认为

  Rj-a=Ri+Rs+Rc+Rf

  (1)PN结与外部封装之间的热阻抗(又叫内部热阻抗)Ri与半导体PN结构造、所用材料、外部封装内的填充物直接相关,每种半导体都有自身圃有的热阻抗。

  (2)接触热阻抗Rc是由半导体、封装形式和散热器的接触面状态所决定的。接触面的平坦度、粗糙度、接触面积、安装方式等,都会对它产生影响。当接触面不平整、不光滑或接触面紧固力不足时,就会增大接触热阻抗Rc。在半导体管和散热器之间涂上硅油时,可以增大接触面积,排除接触面之间的空气,硅油本身又具有良好的导热性,可以大大降低接触热阻抗Rc。

  当前有一种新型的相变材料,专门设计用以采取代硅油作为传热界面,在65℃(相变温度)时从固体变为流体,从而可以确保界面的完全润湿,该材料的触变特性可以使其避免流到界面外。它的传热效果与硅油相当,但没有硅油带来的污垢,环境污染和难以操作的缺点。可以用于不需要电气绝缘的场合。典型的应用包括CPU散热片、功率转换模块,或者其他任何簧片固定的硅油应用场合,它可以涂布在铝质基材的两面,可以单面附胶、双面附胶或不附胶。

  (3)绝缘垫热阻Rs。绝缘垫用于半导体器件和散热器之间的绝缘,绝缘垫的热阻抗R,取决于绝缘材料的材质、厚度和面积。表1中列出了几种常用半导体封装形式的Rs+Rc。



  表1  几种封装形式的Rs+Rc

  (4)散热器热阻抗Rf。散热器的热阻抗Rf与散热器的表面积、表面积处理方式、散热器表面空气的风速、散热器与周围的温度差有关。因此一般都会设法增强散热器的散热效果,主要的方法有增加散热器的表面积、设计合理的散热风道、增加散热器表面的风速等。散热器的散热面积设计值如图2所示。

  但是如果过于追求散热器的表面积,而使散热器的叉指过于密集则会影响到空气的对流,热空气不易于流动也会降低散热效果。自然风冷时散热器的叉指间距应适当增大,选择强制风冷时,则可以适当减小叉指的间距,如图3所示。

                                     
         图2   散热器的散热面积设计值
                                                                                           图3 散热器的叉指间距选择

  (5)散热器的表面积计算。



  式中 △T——散热器温度与周围环境温度(Ta)之差(℃);
       α——传导系数,是由空气的物理性质及空气流速决定的。

        
α的值可以表示为

  式中λ——热电导率由空气的物理性质决定;
      L——散热器高度;
      Nu——空气流速系数。

  凡的值由式(14- 13)决定

  式中 V——动黏性系数,是空气的物理性质;
       V'——散热器表面的空气流速;
      Pr——参数(见表2)。


  表2   参数Pr的值

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