损耗与散热设计

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1、第8章损耗与散热设计开关电源是功率设备，功率元器件损耗大，损耗引起发热，导致元器件温度升高，为了使元器件温度不超过最高允许温度，必须将元器件的热量传输出去，需要散热器和良好的散热措施，设备的体积重量受到损耗限制。同时，输出一定功率时损耗大，也意味着效率低。8.1热传输电子元器件功率损耗以热的形式表现出来，热能积累增加元器件内部结构温度，元器件内部温度受最高允许温度限制，必须将内部热量散发到环境中，热量通过传导、对流和辐射传输。当损耗功率与耗散到环境的功率相等时，内部温度达到稳态。lPT1A能量流

2、（功率）T2图8-1热隔离的棒能量传输1.传导传导是热能从一个质点传到下一个质点，传热的质点保持它原来的位置的传输过程，如图8-1固体内的热传输。热量从表面温度为T1的一端全部传递到温度为T2的另一端，单位时间传递的能量，即功率表示为（8-1）式中（8-2）称为热阻（℃/W）；l－热导体传输路径长度(m)；A－垂直于热传输路径的导体截面积(m2)；λ－棒材料的热导率(W/m℃)，含90%铝的热导率为220W/m℃，几种材料的热导率如表8-1所示;ΔT＝T1－T2温度差(℃)。表8-1材料空气铝氧

3、化铝氧化铍铜环氧树脂铁金云母硅橡胶λ(W/m℃)2.4×10-2225202084010.3713390.430.26例：氧化铝绝缘垫片厚度为0.5mm，截面积2.5cm2，求热阻。解：由表8-1查得λ＝20W/m℃，根据式（8-2）得到℃/WTsTaTcTj热流P(a)RjcRcsRsaTjTcTs+PTa-(b)图8-2功率器件热传输和等效热路图式（8-1）类似电路中欧姆定律：功率P相当于电路中电流，温度差;ΔT相当于电路中电压。半导体结的热量传输到周围空气必然经过几种不同材料传输，每种材料

4、有自己的热导率，截面积和长度，多层材料的热传输可以建立热电模拟的热路图。图8-2是功率器件由硅芯片的热传到环境的热通路(a)和等效热路(b)。由结到环境的总热阻为（8-3）上式右边前两个热阻可以按式（8-2）计算，最后一项的热阻在以后介绍的方法计算。如果功率器件损耗功率为P，则结温为（8-4）式中Rjc，Rcs及Rsa分别表示芯片结到管壳，管壳到散热器和散热器到环境热阻。除了散热器到环境的热阻Rsa外，其余两个热阻可以按式(8-2)计算。32从式（8-4）可见，要使结温Tj不超过最高允许温度Tj

5、M，应当器件降低功耗P，或者减少热阻。一定的封装，决定了管壳和芯片结构，也就决定了结到壳的内热阻Rjc。如果希望Rjc小，热传输路径l要尽可能短，但受到器件承受的电压、机械平整度等限制；还要使传输截面积尽可能大，但这受到例如寄生电容等限制。封装一般采用高热导率材料减小热阻。高功率器件直接安装在空气冷却，甚至水冷散热器上。尽量减少结到壳热阻Rjc，一般可以小于1W/℃。手册中常给出结到壳热阻Rjc，最高允许结温TjM和最大允许损耗PM，或最高允许结温TjM最大允许功率损耗PM和允许壳温Tc。如果是

6、后者，根据已知数据就可以知道结到壳热阻W/℃（8-5）壳到散热器通常有一层绝缘导热垫片，绝缘垫片可以用氧化铝、氧化铍、云母或其他绝缘导热材料。壳到散热器热阻Rcs包含两部分：绝缘垫片热阻和接触热阻。绝缘导热垫片热阻可按式（8-2）计算。例如用于TO－3封装的75μm绝缘云母片热阻大约1.3℃/W。但是，固体表面再好精加工，表面总是点接触，存在很大接触热阻，应当施加适当的装配压力，增大接触面，即便如此，表面之间仍有空气隙存在，对热阻影响很大。太大的压力会使器件内部结构变形，可能适得其反,一般使用力

7、矩板手保证确定的压力，又不致器件安装变形。同时，材料接触表面应当平整、无瘤、坑，并在适当压力的前提下，绝缘垫片涂有混合导热良好氧化锌的硅脂，驱赶表面间空气，使接触热阻下降50%～30%。TO3封装当涂有硅脂或导热材料时热阻大约0.4℃/W。如果应用复合材料过多，层太厚将增加热阻。接触热阻可按下式计算W/℃(8-6)A为接触表面积，cm2；β－金属对金属为1,金属对阳极化为2；如果有硅脂分别为0.5和1.4。2.瞬态热抗众所周知，物体在传输热量之前，必须吸收一定的热能加热本身到高于环境的相应温度；

8、而当热源去掉后，这部分热能经过一定时间释放掉，温度降低到环境温度。这相似电容的充电和放电效应。在热电模拟等效热路中引入热容的概念。Tj(t)RtP(t)PoCsP(t)Tat(a)(b)ZtRt0t(c)图8-3等效热路瞬态热抗(a)，阶跃输入(b)和瞬态热阻抗响应在电源开机、关机和瞬态过载等情况下，功率器件往往在瞬间损耗（浪涌）大大超过平均损耗，引起芯片结温瞬间升高，结温是否超过最大允许结温，这与功率浪涌持续时间以及器件的热特性有关。在瞬态情况下，热传输的热路中必须考虑热容Cs。材料的单位体积