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功率半导体风冷散热器的选配

    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    (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+Rsa②

    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-Rcs③

    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冷的以对流传导为主要方式的设计,因为散热器表面越光亮则热阻越低,这是要特别提示设计人员的。

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