功率器件的散热计算及散热器选择

heroddeng

2 {, O9 j& \& Q* e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。


" W- K) G# h- s8 \1 k散热计算
& E; U$ y8 e' H9 h, i
; g9 S7 M( g: [% M( D1 }. w
/ H( @) G! U; H2 I- o5 G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。
, p7 K* u5 s( H* t' q( f; t
- x' x# K# |5 ]% }, X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。
) O3 w" B* f% J" ]  Y9 R  j5 n
R JA≤(TJ-TA)/PD

4 a0 ]1 b* c; g) H则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻R SA为

. m  t( c# @$ R# L" ]0 jR SA≤({T_{J}-T_{A}}\over{P_{D}})-(R JC+R CS)

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。


散热器简介
0 u7 G! W: [/ R% R- j  l. _! h

: k* o5 ]+ B4 @; x1 P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。

5 X  Y, ~0 G! R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。
( I& `. l8 \4 M; v9 d

计算实例

" d+ }5 d6 V. Y! I
. o* m& w* P" X7 n# {% a. u$ ~# F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。

" {7 d: R& O. `- a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。
& P' G/ c3 _0 u' Q* H( F) V- m

' x" j" \, z$ Z+ H/ b) y0 F器件的功耗为PD:
) |5 y( f  ]" E) M6 \/ }
6 H. W  ]& `  a/ Z, ]& v, F1 v+ ^
PD=PDQ+PDOUT
, @( V# I/ H- o( M6 ^
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
=37mA(36V)+18V2/4 4
7 H; @) x$ a0 M# {! z=21.6W
) L4 G3 G# n! j5 Y  @! H4 p; l式中静态电流取37mA。
散热器热阻R SA计算:R SA≤({T_{J}-T_{A}}\over{P_{D}})-(R_{ JC}+R_{ CS}})

8 }6 U9 \0 v* e4 {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

# ^* ~  ~6 J2 |9 R/ u- b1 P! sR SA≤{125℃-40℃}\over{21.6W}-(2.6℃/W+0.2℃/W)≤1.135℃/W
" x+ @( Q: d1 P) w+ m+ Q+ o
" Q! c  ~* ?2 b1 oHSO4在自然对流时热阻为0.95℃/W，可满足散热要求。


注意事项
0 l+ R1 X7 y6 ^4 m8 c/ C0 m
- E! Z1 g9 l9 Q1 @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)。
- h4 m: ], v; T- H) b5 v
6 p) c/ s! }6 c5 R) P2.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)。

3.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。

( k- T7 W: M0 {0 S8 e0 n: o  X4.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。

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。
, k, s+ ?+ r! |# z- ~9 @
6.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。
" z5 \% k% x* i4 U
% x; w1 D7 T4 ]7 o6 K: Y

heroddeng

关于散热器选择的计算方法关于散热器分类
" B/ j0 h" J7 v2 m4 g) p  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

3 i! X0 @2 I6 j: x% X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
* y1 z7 ^0 x/ O( A- D, X
找。
$ Y  }1 N4 m  v' A1 |( f

关于散热器的选择

8 R8 @/ C) R* W6 V- O6 W; D  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
0 g9 Y, _1 t/ {+ y) ]- k  X
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

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
) E) k; Z0 G4 h# w6 }2 e# g* Q
% r* S: k, d( [6 N7 s, V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。
& C( ]; y' z% u: h1 ?! X
9 J; e7 A8 q3 b: \, F
0 l+ {* H# j0 F' r关于散热器选择的计算方法

参数定义：
/ N4 c( _- K# k5 s; VRt─── 总内阻，℃/W；
0 t6 ]* y5 }3 L7 Q" h7 t, [: HRtj─── 半导体器件内热阻，℃/W；
1 m7 z" r0 I% k: lRtc─── 半导体器件与散热器界面间的界面热阻，℃/W；
2 i) w4 j' J* ZRtf─── 散热器热阻，℃/W；
Tj─── 半导体器件结温，℃；
Tc─── 半导体器件壳温，℃；
Tf─── 散热器温度，℃；
+ L9 J# F* n- B) H* Q& a$ ~Ta─── 环境温度，℃；
  u. q3 v' s7 {* SPc─── 半导体器件使用功率，W；
; Y6 P! _% X+ t. }& Z  EΔTfa ─── 散热器温升，℃；
1 E$ c6 p. S3 t
: m; g- w2 d# a; M+ Y0 |$ P散热计算公式：
) Z* m- A+ y* s+ n' l9 ~
3 C: g( D" |9 {) U( {& WRtf =(Tj-Ta)／Pc - Rtj -Rtc

' I2 A( H7 m0 }8 e6 ^9 X  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
. E6 ?( P2 T8 b( l: [$ @+ M$ a
数，Rtc 可从热设计专业书籍中查表。
3 p7 k7 \( z' B
（1） 计算总热阻Rt：

# s& }  Y' u+ h% |Rt= (Tjmax-Ta)／Pc

5 j8 v1 S' {" j  F/ e（2） 计算散热器热阻Rtf 或温升ΔTfa：

2 F& q! i3 T# wRtf = Rt－Rtj－Rtc
# [- Z$ ~$ n, D& x) ~
7 b8 C5 J9 X2 f5 c+ KΔTfa＝Rtf×Pc

$ q6 v! z" a) L( e0 E+ G" T（3）确定散热器

  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
' }) E2 z' n9 Z
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。

  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：
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：

- F$ _3 k6 M8 U) n- X+ W
, [" @, C: m3 ^4 @3 v( j$ Yα＝7.2ψ1ψ2ψ3{√√ [(Tf-Ta)／20]}
9 n( m$ A9 f, ^& z, Q

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）；
0 k8 W" P2 q% j, Xψ2─── 描写散热器h/b对α的影响，（h为散热器肋片的高度）；
ψ3─── 描写散热器宽度尺寸W增加时对α的影响；
& g4 F" F8 K) h0 q4 e√√ [(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；
以上参数可以查表得到。
1 \* y9 D  g4 f, G! R( R' {, U1 N! Z计算两肋片间的表面所散的功率q0

- @4 t/ A* \1 Vq0 =α×ΔTfa×（2h+b）×L
9 j+ J& l& R+ ^! ]& M2 E
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′
9 Z4 y$ y/ O# l4 ~- i5 v& ~单面肋片：Pc′＝nq0
5 h$ E6 O% }4 X$ O" C双面肋片：Pc′＝2nq0
3 O; Q8 ~9 [" ]# Z若Pc′ ＞Pc 时则能满足要求。

2 b$ o0 z" N$ g2 I! {6 A: ?7 E% ^关于散热器的价格

  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
7 F6 a. u+ p1 t' H) ]7 v" o. ^/ p
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
3 L& X. X! j6 ?3 B/ m+ }! H
3 o0 }+ u; ]' ]9 F7 W5 o+ o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；

$ J- X# ]$ g/ c! y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。
9 {3 B) g2 M) U$ M# E0 [+ o1 N8 Q
: y% D, m: a/ W" W. u, d0 e: x关于散热器的订购
# N& u- m0 u* m7 x5 t
  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

容：
. ]2 E) n9 G0 I8 x! f& D
  N' _$ U6 u: g+ v$ s. r/ W（1）散热器型号及长度 例如：50DQ140-200（型号50DQ140；长度200mm)

（2）表面处理方式 （银白色 黑色 其他颜色）
6 a% a, O  \; M& C$ S0 {3 k
（3）散热器上需要机加工的部位、加工数量及技术要求
. Z( q& a6 S" Y$ a/ y
（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？