大功率电子元器件及设备结构的热设计.pdf

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1、科技创新与应用f2015年第25期科技创新大功率电子元器件及设备结构的热设计白琳刘娟(陕西省电子技术研究所，陕西西安710004)摘要：电子元器件以及电子设备已经在A．4：3生产生活当中的各个领域内所应用。随着电子元器件的集成度越来越高以及功率要求越来越大，因此必然会引起电器元器件的热效应，因此对于大功率电子元器件或电子设备需要进行热设计。文章对大功率电子元器件及设备结构热设计的考虑因素，设计流程及要求以及主要参数计算等均作了简单阐述，可以对研究大功率电子元器件及设备结构的热设计起到积极作用。关键词：大功率；电子元器件；电子设

2、备；热设计前言求；(5)要通盘考虑尺寸、重量、电路布局等综合性因素；(6)热设计随着现代社会的发展，电子设备已经在人们的生产生活当中得需要与电气和机械设计紧密配合并保持实时性；<7)热设计不允许到普遍应用。因此电子设备的可靠性对于人们的生产生活具有十分有损于电子元器件或电子设备的电性能；(8)其他具体性要求要根重要的作用。特别是在一些关键或核心领域，即使是一个小的电子据产品的实际需求综合考虑，并允许出现大的容差。元器件出现问题，都极易可能造成极大的危害。特别是近些年随着3大功率电子元器件及设备结构热设计的主要参数计算硅集成电路

3、的普遍应用，电路的集成得到了成倍的增加，因此各电3．1元器件总热阻子元器件或芯片的热量也得到了相应的增加。同时在电子产品小型元器件总热阻：内热阻+表面热阻+外热阻，其中内热阻一般由化，高功率的背景下，电子元器件或电子设备的散热问题就成为了元器件生产商提供与设计和生产方法有关，不是严格意义上的内热保障设备安全可靠的关键性问题。因此对于现代电子元器件或电子阻，不受外部散热翅片或其它散热方式影响。表面热阻为元件封装设备若想保持安全可靠性就需要采取科学合理的热设计。上表面与散热翅片下表面间隙间的导热接触热阻无法准确预测，即1大功率电子

4、元器件及设备结构热设计的考虑因素使最准确的实验测量也会有20％的误差。外热阻是电子设备热设计1．1大功率电子元器件及设备结构的传热方式工程师可改变的以散热翅片为例，外热阻与翅片材料的导热系数、大功率电子元器件及设备结构的传热方式有三种，即导热、对翅片效率、表面面积和表面对流换热系数有关。流和辐射。其中导热基本是由气体分子不规则运动时相互碰撞，金3-2热沉和热流分配属自由电子的运动，非导电固体晶格结构的振动以及液体弹性波产热流量经传热途径至最终的部位，通称为“热沉”。它的温度不生的。对流则是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的

5、热量传随传递到它的热量大小而变，它相当于一个无限大的容器，可能是递过程。对流仅发生在流体中，且必然伴随着导热现象。流体流过某大气、大地、大体积的水或宇宙，这取决于被冷却设备所处的环境。物体表面时所发生的热交换过程称为对流。辐射主要为电磁波一般电子设备内的热流量以多种形式通过不同的路径进行传递，最后达考察与太阳、空间环境间的传热时才考虑，其辐射传热系数为：到热沉，使各个节点的温度保持在所要求的数值范围内。从实际传hT：sF12(T12十T22)(T1+T2)热观点而言，热设计时应利用中间散热器，它们一般都属于设备的1．2大功率电

6、子元器件结温一部分。它们可以是设备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器从广义上将元器件的有源区称为“结”，而将元器件的有源区温或设备中的空气、液体等冷却剂。度称为“结温”。元器件的有源区可以是结型器件的Pn结区，场效应3．3理论耗散功耗器件的沟道区或肖特器件的接触势垒区，也可以是集成电路的扩散电子器件产生的热量是其正常工作时必不可少的副产物。当电电阻或薄膜电阻等，默认为芯片上的最高温度。大功率电子元器件流流过半导体或者无源器件时，一部分功率就会以热能的形式散失的最高结温，对于硅器件塑料封装为125～150~C，金属封装为15

7、0—掉。耗散功率为：Po=VI200。对于锗器件为70～90~C当结温较高时(如大于50℃)，结温每如果电压或者电流随时间变化，则耗散功率由平均耗散功率给降低40～5O℃，元器件寿命可提高约一个数量级。所以对于航空航天出：和军事领域应用的元器件，由于有特别长寿命或低维护性要求，并=)m)dr受更换费用限制以及须承受频繁的功率波动，平均结温要求低于60~C。3．4电感和电容1．3大功率电子元器件的热环境电感电路中没有能量损耗，但是，在储能、释能过程中，电感与元器件的环境温度是指元器件工作时周围介质的温度。对安装电源之间不断地进行

8、着能量互换。这种能量互换的规模通常为无功密度高的元器件的环境温度只考虑其附近的对流换热量，而不包括功率PQ。由两个金属板极并在其间夹有电绝缘介质构成的能够积辐射换热和导热。热环境按下列条件设定，冷却剂的种类、温度、压累电荷、储存电场能量的元件。电容器不消耗电源能量，只是与电源