半导体功率器件的散热设计

王小文

摘要：本文主要阐述功率器件的散热原理及加装散热器的必要性，介绍如何正确选用散热器。

关键词：结温；散热器；散热；热阻

中图分类号：TU832文献标识码： A

Abstrct: This paper mainly expounds the necessity and principle of power devices with heat radiator, introduces how to choose the right radiator.

Keyword: junction temperature  radiator  coolingthermal resistance

引言

半导体功率器件是多数电子设备中的关键器件，其工作状态的好坏直接影响整机可靠性。相关实验已经证明，器件工作温度直接影响其自身的可靠性，但是在功率转换电路中，器件自身会消耗一部分能量，这部分能量会转换为热量，使器件的管芯发热、结温升高，当结温超过器件自身规定的允许值时，电流会急剧增大而使晶体管烧毁。要保证结温不超过允许值，就必须将产生的热量有效的散发出去。

要解决散热问题可以从如下两方面入手，一是通过优化设计方式来减少发热量，如采用通态压降低的器件；另一方面是利用传导、对流、辐射的传热原理，将热量快速释放到周围环境中去，以减少热积累，使器件工作温度降低，如采用合适的散热器。

本文主要针对上述第二个方面进行探讨，分别从热设计相关概念、散热过程、正确选用散热器方法以上三个方面进行分析，以实例介绍方法的有效性。

散热过程是一个非常复杂的过程，影响因素较多，本文仅针对关键参数进行介绍，所有计算均为理想计算，与实际情况会存在一定的偏差。

一、热设计相关参数

1.耗散功率

在电路中功率器件自身消耗的功率。

2.热阻

热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力，即 1W的热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。

3.元件最高结温

元件允许的最高工作温度极限，可参考本文提供的数据手册。

4.散热器

用于加速发热体散热，防止元件热积累的装置，一般分为型材散热器和叉指散热器。

5.散热器规格实例

YCZ8-25-6-H

表面处理: H---黑色; Y---银色

加工孔样

切断长度(mm)

散热器型号

二、散热过程

根据热传导特点，两点之间有温度差时，热能总会从高温点流向低温点。通常器件最主要的发热部分在半导体芯片内部，热传导过程可以参照图1，其热量通过管芯传到外壳、外壳传至散热器、散热器传至环境，各部分热阻可分别表示为：

管芯至管壳热阻Rthj；管壳至散热器热阻Rthcs；散热器至空气的热阻Rthsca

总热阻= Rth=Rthj+Rthc+Rthsca

当芯片单位时间内消耗的功率所产生的热量与单位时间内散发出去的热量相等时，芯片的温度就能达到稳定状态，结温也就不再升高了。

热回路与电路图很相似，它可用电学模拟方法描述热量传输。也就是可将温差△T看成电压，单位时间内器件功耗P看成电流，而热阻R则与电阻相似,这样功耗、温差和热阻之间的关系就和欧姆定律相似，参照画电路图的方法可以给出热传导网络图（图2），该热路图可以表示为：

图 1 图2 热路图

按照上述热传导关系，可以计算出散热器的热阻，根据散热器热阻可以进一步寻找到满足条件的散热器。一般散热器厂商会根据使用环境会给出自然冷却热阻、温升曲线（图3）和风冷冷却热阻、温升曲线（图4），但对于没有上述曲线的型材散热器，其自然冷却热阻、温升曲线可以计算得出。

图3 自然冷却热阻、温升曲线图4风冷冷却温升曲线

三、散热选型设计

在热设计中，散热器选型应满足以下原则：“散热器热阻小于热路中计算出的散热器热阻；散热器的散热功率大于热源损耗功率”。

根据以上原则，自然冷却及强迫风冷两种使用环境下，散热器选型设计可按照以下步骤进行。

1、自然冷却散热器选择步骤

（1）计算总热阻

其中; Tjmax为晶体管允许最高结温

Ta 为环境温度

Pc为热源最大损耗功率

（2）计算散热器热阻

其中：Rthj结壳热阻，可以通过晶体管器件手册热阻曲线查出

Pthcs 壳到散热器的热阻，根据接触面的处理方式，查找相关文件得出，可参照本文后面附图1。

（3）确定散热器型号

叉指形散热器或型材散热器

（4）根据热阻、温升曲线选择合适的散热器

根据厂商提供的散热器热阻、温升曲线，结合散热器选定原则，可以直接找到合适的散热器；

对于没有给出相应曲线的型材散热器可按照以下步骤求出：

a)求出散热器综合散热系数

式中:

ρ1—描写散热器L/b 对μ的影响，附图2查得（L 为散热器的长度，b 为两肋间距）；

ρ2—描写散热器h/b 对μ的影响，附图3查得（h 为散热器肋片的高度）；

ρ3—描写散热器宽度尺寸W 增加时对μ的影响，附图4查得；

， 描写散热器表面最高温度及周围环境温度对μ的影响，附图5查得；

b)计算两肋片间的表面所散发的功率

c)计算散热器散热功率pc

单面肋片：

双面肋片：

若时则能满足要求。

d)验算

先计算已知散热器面积s:

式中：——散热器基板厚度。

计算散热器的热阻则选择合理，若不满足则需要重新选择散热器重复a~d步骤，直到满足为止。

2、强迫风冷散热器的选择步骤

（1）计算总热阻

其中：Tjmax为晶体管允许最高结温

pc 为热源最大损耗功率

（2）计算散热器热阻

其中：Rthj结壳热阻，可以通过晶体管器件手册热阻曲线查出

Rthcs 壳到散热器的热阻，根据接触面的处理方式，查找相关文件得出，可参照本文后面附表。

（3）确定散热器型号

叉指形散热器或型材散热器

（4）根据散热器的风冷热阻、温升曲线，选择合适的散热器和风速。

五、实例分析

已知某电路使用三极管MJ11032，其耗散功率为52.5W，环境温度为40℃，自然冷却条件下，论证选用下图5中散热器，是否能满足要求。

图5 散热器示意图

首先根据MJ11032数据手册中“损耗功率-温度”曲线（图6），可知最高结温为200℃，根据上述曲线，可知要保证器件耗散功率为52.5W，其最高结温不能超过169℃。

图6 损耗功率-温度曲线

按照自然冷却散热器计算步骤：

（1）计算总热阻

（2）计算电路要求的散热器热阻

(3)按照型材散热器热阻计算方法，计算实际散热器热阻和功率pc

首先计算综合散热系数：

(4)验算

(5)结论

根据计算结果和散热器应满足的原则，认为该散热器能够满足设计要求。以上计算结果为理想计算，与实际情况可能存在偏差，并且在实际应用中为了满足可靠性要求一般晶体管需要降额使用，具体降额标准可以参照《中华人民共和国国家军用标准元器件降额准则》要求进行考虑。

附图1

管壳与散热器之间材料与热阻关系表

附图2

散热器的深度与肋片间距之比对综合散热系数的影响

附图3

肋片高度与肋片间距之比对综合散热系数的影响

附图4

散热器最大外形尺寸对综合散热系数的影响

附图5

散热器表面最高温度相对环境温度对综合散热系数的形象

参考文献

【1】 《半导体器件散热器图册》

【2】《中华人民共和国国家军用标准元器件降额准则》