功率器件的散热计算及散热器选择

heroddeng

目前的电子产品主要采用贴片式封装器件，但大功率器件及一些功率模块仍然有不少用穿孔式封装，这主要是可方便地安装在散热器上，便于散热。进行大功率器件及功率模块的散热计算，其目的是在确定的散热条件下选择合适的散热器，以保证器件或模块安全、可靠地工作。
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+ V+ m$ Q, u1 L0 M/ t
散热计算
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任何器件在工作时都有一定的损耗，大部分的损耗变成热量。小功率器件损耗小，无需散热装置。而大功率器件损耗大，若不采取散热措施，则管芯的温度可达到或超过允许的结温，器件将受到损坏。因此必须加散热装置，最常用的就是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间，必要时再加上散热风扇，以一定的风速加强冷却散热。在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板，它有更好的散热效果。 散热计算就是在一定的工作条件下，通过计算来确定合适的散热措施及散热器。功率器件安装在散热器上。它的主要热流方向是由管芯传到器件的底部，经散热器将热量散到周围空间。若没有风扇以一定风速冷却，这称为自然冷却或自然对流散热。

9 k! n( I+ K7 E热量在传递过程有一定热阻。由器件管芯传到器件底部的热阻为R JC，器件底部与散热器之间的热阻为R CS，散热器将热量散到周围空间的热阻为R SA，总的热阻R JA=R JC+R CS+R SA。若器件的最大功率损耗为PD，并已知器件允许的结温为TJ、环境温度为TA，可以按下式求出允许的总热阻R JA。

4 l1 Q( Z4 Q& m% gR JA≤(TJ-TA)/PD

则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻R SA为

7 d1 K0 e- b: d/ W# e0 ~! s& B( MR SA≤({T_{J}-T_{A}}\over{P_{D}})-(R JC+R CS)

( ~5 e( t4 o" t2 F$ S3 G出于为设计留有余地的考虑，一般设TJ为125℃。环境温度也要考虑较坏的情况，一般设TA=40℃ 60℃。R JC的大小与管芯的尺寸封装结构有关，一般可以从器件的数据资料中找到。R CS的大小与安装技术及器件的封装有关。如果器件采用导热油脂或导热垫后，再与散热器安装，其R CS典型值为0.1 0.2℃/W;若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘，则其R CS可达1℃/W。PD为实际的最大损耗功率，可根据不同器件的工作条件计算而得。这样，R SA可以计算出来，根据计算的R SA值可选合适的散热器了。

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+ g& L/ a$ ~7 y2 J, P' w散热器简介
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小型散热器(或称散热片)由铝合金板料经冲压工艺及表面处理制成，而大型散热器由铝合金挤压形成型材，再经机械加工及表面处理制成。它们有各种形状及尺寸供不同器件安装及不同功耗的器件选用。散热器一般是标准件，也可提供型材，由用户根据要求切割成一定长度而制成非标准的散热器。 散热器的表面处理有电泳涂漆或黑色氧极化处理，其目的是提高散热效率及绝缘性能。在自然冷却下可提高10 15%，在通风冷却下可提高3%，电泳涂漆可耐压500 800V。
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$ T7 `6 ^7 J9 Q$ c/ M散热器厂家对不同型号的散热器给出热阻值或给出有关曲线，并且给出在不同散热条件下的不同热阻值。


3 C3 ?, ^$ ^- m& G2 |计算实例
! p- U, D( j( f" R1 d* R) i
8 O# o1 L9 x$ z" S
, ]/ m5 X0 a" Q) ^: r7 q) c* {. Y一功率运算放大器PA02(APEX公司产品)作低频功放，其电路如图1所示。器件为8引脚TO-3金属外壳封装。器件工作条件如下:工作电压 VS为 18V;负载阻抗RL为4 ，工作频率直流条件下可到5kHz，环境温度设为40℃，采用自然冷却。

' A3 Q& d  L$ r查PA02器件资料可知:静态电流IQ典型值为27mA，最大值为40mA;器件的R JC(从管芯到外壳)典型值为2.4℃/W，最大值为2.6℃/W。
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" p9 ^! H0 D; N; y% {/ M+ Z
器件的功耗为PD:


PD=PDQ+PDOUT

式中PDQ为器件内部电路的功耗，PDOUT为输出功率的功耗。PDQ=IQ(VS+|-VS|)，PDOUT=V^{2}_{S}/4RL，代入上式
PD=IQ(VS+|-VS|)+V^{2}_{S}/4RL
9 [) {5 u6 f0 g5 Q; A5 L0 n=37mA(36V)+18V2/4 4
=21.6W
( q( w7 f/ i  |1 a0 ?/ d5 T式中静态电流取37mA。
" g5 X6 a1 O. K0 q4 M1 o散热器热阻R SA计算:R SA≤({T_{J}-T_{A}}\over{P_{D}})-(R_{ JC}+R_{ CS}})
6 Z3 r4 A& N: m* Z6 H3 M, Y
) o+ e! \! O/ u$ E0 Z8 g' e# A! ]; I为留有余量，TJ设125℃，TA设为40℃，R JC取最大值(R JC=2.6℃/W)，R CS取0.2℃/W，(PA02直接安装在散热器上，中间有导热油脂)。将上述数据代入公式得

R SA≤{125℃-40℃}\over{21.6W}-(2.6℃/W+0.2℃/W)≤1.135℃/W

$ h6 G% u9 {, s) QHSO4在自然对流时热阻为0.95℃/W，可满足散热要求。

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注意事项
/ _+ k5 p7 a) b6 E
1.在计算中不能取器件数据资料中的最大功耗值，而要根据实际条件来计算;数据资料中的最大结温一般为150℃，在设计中留有余地取125℃，环境温度也不能取25℃(要考虑夏天及机箱的实际温度)。
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2.散热器的安装要考虑利于散热的方向，并且要在机箱或机壳上相应的位置开散热孔(使冷空气从底部进入，热空气从顶部散出)。
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3 ~$ w$ }& q9 \0 v- h4 ^3 e3.若器件的外壳为一电极，则安装面不绝缘(与内部电路不绝缘)。安装时必须采用云母垫片来绝缘，以防止短路。

4.器件的引脚要穿过散热器，在散热器上要钻孔。为防止引脚与孔壁相碰，应套上聚四氟乙稀套管。
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5.另外，不同型号的散热器在不同散热条件下有不同热阻，可供设计时参改，即在实际应用中可参照这些散热器的热阻来计算，并可采用相似的结构形状(截面积、周长)的型材组成的散热器来代用。

, N# E4 Z- Y( [+ b. h6.在上述计算中，有些参数是设定的，与实际值可能有出入，代用的型号尺寸也不完全相同，所以在批量生产时应作模拟试验来证实散热器选择是否合适，必要时做一些修正(如型材的长度尺寸或改变型材的型号等)后才能作批量生产。
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heroddeng

关于散热器选择的计算方法关于散热器分类
  J6 v! X1 x$ }0 R$ z8 b  为了方便用户查找选购，按照散热器的制造工艺分为型材散热器、插片散热器、组合散热器及热管散

热器；其中对用量极大的型材散热器按其形状分为单肋、双肋、异型并在网页左侧列出；以便用户快速查

找。
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- Y( Q* a- ?. S$ u
关于散热器的选择
/ D0 s4 Z& n7 B8 K
4 h+ m. g+ C+ b8 I  首先确定要散热的电子元器件，明确其工作参数，工作条件，尺寸大小，安装方式，选择散热器的底
  k  F* R: O$ C% \" y
/ b: K& R+ R, F2 K4 i板大小比元器件安装面略大一些即可，因为安装空间的限制，散热器主要依靠与空气对流来散热，超出与
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元器件接触面的散热器，其散热效果随与元器件距离的增加而递减。对于单肋散热器，如果所需散热器的

7 d. r+ \- y" r! ~* I宽度在表中空缺，可选择两倍或三倍宽度的散热器截断即可。
) x6 d2 W  Z/ j9 ?- P. @

/ @) Z  \: x2 ^$ e0 |, \关于散热器选择的计算方法
, Q" O6 R1 ~7 v+ T( c
# M4 O% y: b  i2 b$ g参数定义：
$ r: q* w' M& tRt─── 总内阻，℃/W；
8 f9 d$ E& `3 ]/ c! b' GRtj─── 半导体器件内热阻，℃/W；
7 h& T: R  ?4 P" JRtc─── 半导体器件与散热器界面间的界面热阻，℃/W；
Rtf─── 散热器热阻，℃/W；
' q* i" Y+ S0 H( I6 k- E3 jTj─── 半导体器件结温，℃；
Tc─── 半导体器件壳温，℃；
  D& j& _4 c" m( N/ ~3 iTf─── 散热器温度，℃；
  q$ E" v, j0 z$ r' `0 y9 ?7 lTa─── 环境温度，℃；
Pc─── 半导体器件使用功率，W；
( u9 H* a1 V6 SΔTfa ─── 散热器温升，℃；

散热计算公式：

1 v1 x3 J. a2 S# w# dRtf =(Tj-Ta)／Pc - Rtj -Rtc
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  散热器热阻Rff 是选择散热器的主要依据。Tj 和Rtj 是半导体器件提供的参数，Pc是设计要求的参
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数，Rtc 可从热设计专业书籍中查表。

（1） 计算总热阻Rt：

Rt= (Tjmax-Ta)／Pc

（2） 计算散热器热阻Rtf 或温升ΔTfa：

Rtf = Rt－Rtj－Rtc
7 |4 r" u# {7 \7 m- V) N
! x% _% a3 K) D0 M: P. w  CΔTfa＝Rtf×Pc

（3）确定散热器

1 G. [, ^' e8 s5 u. U( i  按照散热器的工作条件（自然冷却或强迫风冷），根据Rtf 或ΔTfa和 Pc 选择散热器，查所选散热
* ^6 C* o% Q* {4 E7 _( y: Y
器的散热曲线（Rtf 曲线或ΔTfa线），曲线上查出的值小于计算值时，就找到了合适的散热器。
: \% E$ a" E2 ?; q
/ J5 v: j# u  g3 _% V5 {. l  对于型材散热器，当无法找到热阻曲线或温升曲线时，可以按以下方法确定：
) t4 f5 ]! Q( U. v- P* d* b& I9 A$ {按上述公式求出散热器温升ΔTfa，然后计算散热器的综合换热系数α：


7 |3 L( v" D: ~0 Kα＝7.2ψ1ψ2ψ3{√√ [(Tf-Ta)／20]}

( h; s/ [" A$ C- _+ E
式中：ψ1─── 描写散热器L/b对α的影响，（L为散热器的长度，b为两肋片的间距）；
# U' T) G8 h+ Mψ2─── 描写散热器h/b对α的影响，（h为散热器肋片的高度）；
. D% y- Q# R: }ψ3─── 描写散热器宽度尺寸W增加时对α的影响；
√√ [(Tf-Ta)／20]───描写散热器表面最高温度对周围环境的温升对α的影响；
) V0 o, v$ e3 Q3 ~+ l以上参数可以查表得到。
计算两肋片间的表面所散的功率q0

q0 =α×ΔTfa×（2h+b）×L

3 Z0 h- }" A4 ?8 y# x根据单面带肋或双面带肋散热器的肋片数n,计算散热功率Pc′
* X7 C; x, W/ o+ u9 r  g1 M+ A单面肋片：Pc′＝nq0
双面肋片：Pc′＝2nq0
若Pc′ ＞Pc 时则能满足要求。

关于散热器的价格

" X7 R' J( V1 X" G, d1 i3 q  散热器的最后成交价格与所选散热器的规格型号、数量、交货方式、付款方式有关，有一点需要用户
6 E5 ^" D4 H$ I0 d8 Q* I1 Y+ k
% c$ ^/ x2 _/ v1 v特别注意铝散热器通常采用纯铝或6063合金来制造，这两种材质都有很好的导热性与之相比杂铝的导热性

* m* F7 z  k2 i: C7 y6 X$ Z& t则差数倍；（其导热系数请见【相关数据】）由于散热器成本一半以上是材料费，杂铝的价格是低廉的；
5 T) n3 v4 n' K3 C* F9 m
因此对特别便宜的散热器，购买时要考虑因材质造成的散热性能的损失。

1 e& F+ `# q+ i1 c2 v3 ~" k关于散热器的订购
" }4 t, [# @) N  Y7 e
  选择好散热器的型号后，根据散热计算结果确定截断长度，及表面处理方式；需要订购请提供如下内

5 K8 D# v( L+ \3 V9 d% ]8 v. w容：

（1）散热器型号及长度 例如：50DQ140-200（型号50DQ140；长度200mm)
8 [$ A: R: L1 f
（2）表面处理方式 （银白色 黑色 其他颜色）
- X$ G! E8 K* B4 x# D% {
（3）散热器上需要机加工的部位、加工数量及技术要求

5 `. @2 O) m6 w$ L" X# M5 [（4）要求的交货日期、交货地点

fujun

多个管子放在散热器上如何计算，是先算一个，然后乘以几个吗？