功率器件熱設(shè)計(jì)及散熱計(jì)算

引言
當(dāng)前，電子設(shè)備的主要失效形式就是熱失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備的失效有55％是溫度超過規(guī)定值引起的，隨著溫度的增加，電子設(shè)備的失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)。所以，功率器件熱設(shè)計(jì)是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽略的一個(gè)環(huán)節(jié)，直接決定了產(chǎn)品的成功與否，良好的熱設(shè)計(jì)是保證設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)。

功率器件熱性能的主要參數(shù)
功率器件受到的熱應(yīng)力可來(lái)自器件內(nèi)部，也可來(lái)自器件外部。若器件的散熱能力有限，則功率的耗散就會(huì)造成器件內(nèi)部芯片有源區(qū)溫度上升及結(jié)溫升高，使得器件可靠性降低，無(wú)法安全工作。表征功率器件熱能力的參數(shù)主要有結(jié)溫和熱阻。
器件的有源區(qū)可以是結(jié)型器件(如晶體管)的PN結(jié)區(qū)、場(chǎng)效應(yīng)器件的溝道區(qū)，也可以是集成電路的擴(kuò)散電阻或薄膜電阻等。當(dāng)結(jié)溫Tj高于周圍環(huán)境溫度Ta時(shí)，熱量通過溫差形成擴(kuò)散熱流，由芯片通過管殼向外散發(fā)，散發(fā)出的熱量隨著溫差(Tj-Ta)的增大而增大。為了保證器件能夠長(zhǎng)期正常工作，必須規(guī)定一個(gè)最高允許結(jié)溫 Tj max。Tj max的大小是根據(jù)器件的芯片材料、封裝材料和可靠性要求確定的。
功率器件的散熱能力通常用熱阻表征，記為Rt，熱阻越大，則散熱能力越差。熱阻又分為內(nèi)熱阻和外熱阻：內(nèi)熱阻是器件自身固有的熱阻，與管芯、外殼材料的導(dǎo)熱率、厚度和截面積以及加工工藝等有關(guān)；外熱阻則與管殼封裝的形式有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，管殼面積越大，則外熱阻越小。金屬管殼的外熱阻明顯低于塑封管殼的外熱阻。
當(dāng)功率器件的功率耗散達(dá)到一定程度時(shí)，器件的結(jié)溫升高，系統(tǒng)的可靠性降低，為了提高可靠性，應(yīng)進(jìn)行功率器件的熱設(shè)計(jì)。

功率器件熱設(shè)計(jì)
功率器件熱設(shè)計(jì)主要是防止器件出現(xiàn)過熱或溫度交變引起的熱失效，可分為器件內(nèi)部芯片的熱設(shè)計(jì)、封裝的熱設(shè)計(jì)和管殼的熱設(shè)計(jì)以及功率器件實(shí)際使用中的熱設(shè)計(jì)。
對(duì)于一般的功率器件，只需要考慮器件內(nèi)部、封裝和管殼的熱設(shè)計(jì)，而當(dāng)功耗較大時(shí)，則需要安裝合適的散熱器，通過其有效散熱，保證器件結(jié)溫在安全結(jié)溫之內(nèi)正?？煽康墓ぷ鳌?br /> 　　
散熱計(jì)算
最常用的散熱方法是將功率器件安裝在散熱器上，利用散熱器將熱量散到周圍空間，必要時(shí)再加上散熱風(fēng)扇，以一定的風(fēng)速加強(qiáng)散熱。在某些大型設(shè)備的功率器件上還采用流動(dòng)冷水冷卻板，它有更好的散熱效果。散熱計(jì)算就是在一定的工作條件下，通過計(jì)算來(lái)確定合適的散熱措施及散熱器。
熱量在傳遞過程中有一定熱阻。由器件管芯傳到器件底部的熱阻為Rjc，器件底部與散熱器之間的熱阻為Rcs，散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為Rsa，總的熱阻Rja=Rjc+Rcs+Rsa。若器件的最大功率損耗為Pd，并已知器件允許的結(jié)溫為Tj、環(huán)境溫度為Ta，可以按下式求出允許的總熱阻Rja。
Rja ≤(Tj-Ta)/Pd
則計(jì)算最大允許的散熱器到環(huán)境溫度的熱阻Rsa為：
Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)
為設(shè)計(jì)考慮，一般設(shè)Tj為125℃。在較壞的環(huán)境溫度情況下，一般設(shè)Ta=40℃~60℃。Rjc的大小與管芯的尺寸和封裝結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般可以從器件的數(shù)據(jù)資料中找到。Rcs的大小與安裝技術(shù)及器件的封裝有關(guān)。如果器件采用導(dǎo)熱油脂或?qū)釅|后，再與散熱器安裝，其Rcs典型值為0.1℃/W~0.2℃/W；若器件底面不絕緣，需要另外加云母片絕緣，則其Rcs可達(dá)1℃/W。Pd為實(shí)際的最大損耗功率，可根據(jù)不同器件的工作條件計(jì)算而得。這樣，Rsa可以計(jì)算出來(lái)，根據(jù)計(jì)算的Rsa值可選合適的散熱器了。
計(jì)算實(shí)例
一功率運(yùn)算放大器PA02作低頻功放，器件為8引腳TO-3金屬外殼封裝。器件工作條件如下：工作電壓Vs為18V，負(fù)載阻抗RL為4劍?繃魈跫?鹿ぷ髕德士紗?kHz，環(huán)境溫度設(shè)為40℃，采用自然冷卻。
查PA02器件資料可知：靜態(tài)電流Iq典型值為27mA，最大值為40mA；器件的Rjc(從管芯到外殼)典型值為2.4℃/W，最大值為2.6℃/W。
器件的功耗為Pd：
Pd=Pdq+Pdout
式中Pdq為器件內(nèi)部電路的功耗，Pdout為輸出功率的功耗。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，靜態(tài)電流取37mA。
散熱器熱阻Rsa計(jì)算：Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)
為留有余量，Tj設(shè)為125℃，Ta設(shè)為40℃，Rjc取最大值(Rjc=2.6℃/W)，Rcs取0.2℃/W(PA02直接安裝在散熱器上，中間有導(dǎo)熱油脂)。將上述數(shù)據(jù)代入公式得：
Rsa≤(125-40)/21.6-(2.6+0.2)≤1.135℃/W
HSO4在自然對(duì)流時(shí)熱阻為0.95℃/W，可滿足散熱要求。
　　
散熱器的選取
散熱器一般是標(biāo)準(zhǔn)件，也可提供型材，由用戶根據(jù)要求切割成一定長(zhǎng)度而制成非標(biāo)準(zhǔn)的散熱器。散熱器的表面處理有電泳涂漆或黑色氧極化處理，其目的是提高散熱效率及絕緣性能。在自然冷卻下可提高10%~15%，在通風(fēng)冷卻下可提高3%，電泳涂漆可耐壓500V~800V。散熱器廠家對(duì)不同型號(hào)的散熱器給出熱阻值或給出有關(guān)曲線，并且給出在不同散熱條件下的不同熱阻值。
功率器件使用散熱器是要控制功率器件的溫度，尤其是結(jié)溫Tj，使其低于功率器件正常工作的安全結(jié)溫，從而提高功率器件的可靠性。常規(guī)散熱器趨向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，而新產(chǎn)品則向低熱阻、多功能、體積小、質(zhì)量輕、適用于自動(dòng)化生產(chǎn)與安裝等方向發(fā)展。合理地選用、設(shè)計(jì)散熱器，能有效降低功率器件的結(jié)溫，提高功率器件的可靠性。
各種功率器件的內(nèi)熱阻不同，安裝散熱器時(shí)由于接觸面和安裝力矩的不同，會(huì)導(dǎo)致功率器件與散熱器之間的接觸熱阻不同。選擇散熱器的主要依據(jù)是散熱器熱阻Rtf。在不同的環(huán)境條件下，功率器件的散熱情況也不同。因此，選擇合適的散熱器還要考慮環(huán)境因素、散熱器與功率器件的匹配情況以及整個(gè)電子設(shè)備的體積、質(zhì)量等因素。
首先根據(jù)功率器件正常工作時(shí)的性能參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，計(jì)算功率器件結(jié)溫是否工作在安全結(jié)溫之內(nèi)，判斷是否需要安裝散熱器，如需安裝則計(jì)算相應(yīng)的散熱器熱阻，初選一散熱器；重新計(jì)算功率器件結(jié)溫，判斷功率器件結(jié)溫是否在安全結(jié)溫范圍之內(nèi)，從而判斷所選散熱器是否滿足要求；對(duì)于符合要求的散熱器，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

結(jié)語(yǔ)
通過功率器件發(fā)熱原理的分析和散熱計(jì)算，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)散熱方式和散熱器的選擇，保證了功率器件工作在安全的溫度范圍內(nèi)，減少了質(zhì)量問題，提高了電子產(chǎn)品的可靠性。電子設(shè)備的可靠性還同元器件、結(jié)構(gòu)、裝配、工藝、加工質(zhì)量等有關(guān)，在實(shí)際工程應(yīng)用上，還應(yīng)通過各種試驗(yàn)取得反饋數(shù)據(jù)來(lái)完善設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高電子設(shè)備的可靠性。■