散熱計算
    最常用的散熱方法是將功率器件安裝在散熱器上，利用散熱器將熱量散到周圍空間，必要時再加上散熱風扇，以一定的風速加強散熱。在某些大型設備的功率器件上還采用流動冷水冷卻板，它有更好的散熱效果。散熱計算就是在一定的工作條件下，通過計算來確定合適的散熱措施及散熱器。

    熱量在傳遞過程中有一定熱阻。由器件管芯傳到器件底部的熱阻為Rjc，器件底部與散熱器之間的熱阻為Rcs，散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為Rsa，總的熱阻Rja=Rjc+Rcs+Rsa。若器件的最大功率損耗為Pd，并已知器件允許的結溫為Tj、環境溫度為Ta，可以按下式求出允許的總熱阻Rja。
Rja ≤(Tj-Ta)/Pd
則計算最大允許的散熱器到環境溫度的熱阻Rsa為：
Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)

    為設計考慮，一般設Tj為125℃。在較壞的環境溫度情況下，一般設Ta=40℃~60℃。Rjc的大小與管芯的尺寸和封裝結構有關，一般可以從器件的數據資料中找到。Rcs的大小與安裝技術及器件的封裝有關。如果器件采用導熱油脂或導熱墊后，再與散熱器安裝，其Rcs典型值為0.1℃/W~0.2℃/W；若器件底面不絕緣，需要另外加云母片絕緣，則其Rcs可達1℃/W。Pd為實際的最大損耗功率，可根據不同器件的工作條件計算而得。這樣，Rsa可以計算出來，根據計算的Rsa值可選合適的散熱器了。

計算實例
    一功率運算放大器PA02作低頻功放，器件為8引腳TO-3金屬外殼封裝。器件工作條件如下：工作電壓Vs為18V，負載阻抗RL為4劍?繃魈跫?鹿ぷ髕德士紗?kHz，環境溫度設為40℃，采用自然冷卻。

    查PA02器件資料可知：靜態電流Iq典型值為27mA，最大值為40mA；器件的Rjc(從管芯到外殼)典型值為2.4℃/W，最大值為2.6℃/W。
器件的功耗為Pd：
Pd=Pdq+Pdout
式中Pdq為器件內部電路的功耗，Pdout為輸出功率的功耗。Pdq=Iq(Vs+|-Vs|)，Pdout＝Vs2/(4 RL)，代入上式
Pd＝Iq(Vs+|-Vs|)＋Vs2/(4 RL)
＝0.037×(18+18)＋182/(4×4)
=21.6 W
式中，靜態電流取37mA。
散熱器熱阻Rsa計算：Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)

    為留有余量，Tj設為125℃，Ta設為40℃，Rjc取最大值(Rjc=2.6℃/W)，Rcs取0.2℃/W(PA02直接安裝在散熱器上，中間有導熱油脂)。將上述數據代入公式得：
Rsa≤(125-40)/21.6-(2.6+0.2)≤1.135℃/W
HSO4在自然對流時熱阻為0.95℃/W，可滿足散熱要求。
　　
散熱器的選取
    散熱器一般是標準件，也可提供型材，由用戶根據要求切割成一定長度而制成非標準的散熱器。散熱器的表面處理有電泳涂漆或黑色氧極化處理，其目的是提高散熱效率及絕緣性能。在自然冷卻下可提高10%~15%，在通風冷卻下可提高3%，電泳涂漆可耐壓500V~800V。散熱器廠家對不同型號的散熱器給出熱阻值或給出有關曲線，并且給出在不同散熱條件下的不同熱阻值。

    功率器件使用散熱器是要控制功率器件的溫度，尤其是結溫Tj，使其低于功率器件正常工作的安全結溫，從而提高功率器件的可靠性。常規散熱器趨向標準化、系列化、通用化，而新產品則向低熱阻、多功能、體積小、質量輕、適用于自動化生產與安裝等方向發展。合理地選用、設計散熱器，能有效降低功率器件的結溫，提高功率器件的可靠性。

    各種功率器件的內熱阻不同，安裝散熱器時由于接觸面和安裝力矩的不同，會導致功率器件與散熱器之間的接觸熱阻不同。選擇散熱器的主要依據是散熱器熱阻Rtf。在不同的環境條件下，功率器件的散熱情況也不同。因此，選擇合適的散熱器還要考慮環境因素、散熱器與功率器件的匹配情況以及整個電子設備的體積、質量等因素。

    首先根據功率器件正常工作時的性能參數和環境參數，計算功率器件結溫是否工作在安全結溫之內，判斷是否需要安裝散熱器，如需安裝則計算相應的散熱器熱阻，初選一散熱器；重新計算功率器件結溫，判斷功率器件結溫是否在安全結溫范圍之內，從而判斷所選散熱器是否滿足要求；對于符合要求的散熱器，應根據實際工程需要進行優化設計。
結語
    通過功率器件發熱原理的分析和散熱計算，可以指導設計散熱方式和散熱器的選擇，保證了功率器件工作在安全的溫度范圍內，減少了質量問題，提高了電子產品的可靠性。電子設備的可靠性還同元器件、結構、裝配、工藝、加工質量等有關，在實際工程應用上，還應通過各種試驗取得反饋數據來完善設計，進一步提高電子設備的可靠性。

標簽： 點擊： 評論: