功率器件的散热计算及散热器选择

heroddeng

( _6 S6 F3 E0 O3 o! _5 z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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散热计算


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。
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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。
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R JA≤(TJ-TA)/PD
* T3 `2 S- h+ s$ B
& V2 p2 Q. H# N( X% ]2 p则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻R SA为
. t, x" m* A! _/ e& I# J5 w
R 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
- U0 ~* W- x0 O! p8 n1 u

- d/ I5 h3 e  o, M5 e( C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。

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。


' Q3 y- S& z" R- P+ r  {4 O7 }- C计算实例


$ ?! _* P: L4 V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。

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。
# d, C1 m# l8 e. k( S

器件的功耗为PD:


3 p9 V2 R7 U! K& HPD=PDQ+PDOUT
0 K: b1 F. {: z/ S: e; `" L* K/ K& V) D. t
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
  A) R9 f% a8 |PD=IQ(VS+|-VS|)+V^{2}_{S}/4RL
=37mA(36V)+18V2/4 4
, F+ g! @# ?/ p=21.6W
4 j1 ~7 H* w# X4 U9 _: O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}})

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
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R SA≤{125℃-40℃}\over{21.6W}-(2.6℃/W+0.2℃/W)≤1.135℃/W
' Z) K9 q% O9 @% b) R. E
; |. K8 \8 n3 ?$ `, }2 G. l, EHSO4在自然对流时热阻为0.95℃/W，可满足散热要求。


; F- m' O# z$ M4 L( Z注意事项
1 `  Z8 j  {1 i1 E5 p( i/ i: h5 Q
1 J' Q0 ^! Y, q4 a" o9 P- \, v1.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)。

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)。
( o# ^) c/ ]! P9 W3 p
3 h2 ~( p$ T+ [3 ]+ }: g) q% G% {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。
; e7 Q7 S- h+ v6 f* G: B
& p2 J$ O8 F5 C! t3 g& ?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。

5 a* Z" h* ~2 v. ]! R( I0 s6.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
  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
( k+ c( h8 X; P+ D" k8 ]
& _, p$ `, s* N- N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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+ G( v- F: _; q
关于散热器的选择

  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
* @+ d1 V( f6 y) `- D3 C! _
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
! D9 U& [; o5 J
, l: t7 f- }) C' ?. m7 Y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。


" P8 W  g$ F8 E/ H, y$ w关于散热器选择的计算方法

参数定义：
0 c% s: K# C, y  y" a6 YRt─── 总内阻，℃/W；
9 h0 ^" Y; ]7 g. N7 V1 I* aRtj─── 半导体器件内热阻，℃/W；
1 L2 b) @2 G6 N& B7 A; aRtc─── 半导体器件与散热器界面间的界面热阻，℃/W；
) W5 [- |, r/ N1 p5 FRtf─── 散热器热阻，℃/W；
0 @: k5 f- }; qTj─── 半导体器件结温，℃；
. }! Q& b8 \3 N1 \3 `Tc─── 半导体器件壳温，℃；
; [0 W# Z$ _7 u; z1 pTf─── 散热器温度，℃；
Ta─── 环境温度，℃；
3 z  a9 J: `! B) ZPc─── 半导体器件使用功率，W；
5 [: L' R& l1 S! w$ K% aΔTfa ─── 散热器温升，℃；
( `- o, q3 s* u8 T; r
散热计算公式：

Rtf =(Tj-Ta)／Pc - Rtj -Rtc
$ r- E9 w0 f3 W' |
( ?8 J' ~* H7 C' {  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

数，Rtc 可从热设计专业书籍中查表。
5 [( n. i1 A8 y" H1 _
. ?0 |8 H' n! m# @* K（1） 计算总热阻Rt：

% E& H4 I2 w! q$ J7 eRt= (Tjmax-Ta)／Pc

- d" I1 X+ }  l: ~( p; x9 j（2） 计算散热器热阻Rtf 或温升ΔTfa：
+ a; {( H: b0 V1 Y
Rtf = Rt－Rtj－Rtc

ΔTfa＝Rtf×Pc

（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

# T) y6 L4 m$ X" \8 C- [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。

9 M1 O6 y8 L# T: E: P% F  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：
( [8 O* }0 Y6 d- {8 l" s  q8 f
: j$ _* |# Q: H5 r1 Y
9 c9 c0 g) [! Q8 v9 u6 }( T3 Iα＝7.2ψ1ψ2ψ3{√√ [(Tf-Ta)／20]}

# c/ D0 K' Y6 _5 w! g( W+ A# q
! P' m! @& E6 W, g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）；
  b. v9 O3 |) Z3 ^0 Z" }ψ2─── 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；
; g9 ]+ P$ M0 ~% L% g; g√√ [(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；
# W1 t- A2 ~# ~) J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

" b( H$ W5 v4 F5 j- p+ Eq0 =α×ΔTfa×（2h+b）×L
1 \2 y6 P, g! d9 }# g
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′
单面肋片：Pc′＝nq0
1 e7 K7 G0 g9 ?2 C双面肋片：Pc′＝2nq0
7 r: e/ l& A, X% T$ q( U6 W6 z! m若Pc′ ＞Pc 时则能满足要求。
4 ?: r% `% g$ C" Y( p8 |' P6 V
关于散热器的价格

. m& r6 j6 V5 E/ Y  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
8 ]+ |( _1 s- k8 A( q9 P; u
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
! \, e! J1 \+ `) u* [, W- j
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；
$ ~8 x2 h0 ^' X. |7 ?
# c, `+ ^8 T. @% ]8 F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。

' q3 m. B& L7 l! V9 a关于散热器的订购

  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
' p/ V6 w: L! B" n1 V
8 S) Q' a6 P+ d容：
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（1）散热器型号及长度 例如：50DQ140-200（型号50DQ140；长度200mm)
8 z; `% b" B) w# B" ~' V
' Z* j$ V4 g. r5 Y0 }- `9 i（2）表面处理方式 （银白色 黑色 其他颜色）
- \; C, }9 z! y+ X) R- f
（3）散热器上需要机加工的部位、加工数量及技术要求

( ]7 c1 l6 d5 \( \6 z# G（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？