如何使用散热器

出处:维库电子市场网 发布于:2024-03-04 16:09:42 | 254 次阅读

  热阻这个词突然就出现了,但由于这是散热设计的基础,所以我先解释一下。简单地说,热阻就是热量传递的难易程度,符号为θ,单位为[℃/W]。换句话说,热阻越低,传热越容易。热阻和相关项目可以从电路元件的角度来考虑,如下所示。
  热阻概念
  发热量 Q [W] → 电流 I [A]
  温差 ΔT [℃] → 电位差 E [V]
  热阻θ[℃/W]→电阻R[Ω]
  通过这样的建模,可以将欧姆定律应用到散热设计中,所以我觉得可以直观地理解。例如,假设我们在绝缘片的正面和背面之间施加温差。然后,热量从高温侧传递到低温侧。如果温差为1℃时,通过板材传输1W的热量,则该板材的热阻为1℃/W(与材料固有的热阻分开)。如果将两片纸叠在一起,串联时热阻将增加一倍,并联时如果面积增加一倍,热阻将减半。  电子元件内部产生的热量最终通过各种途径传递到大气中。例如,在功率晶体管的情况下,顺序是半导体芯片(j) →封装表面(c) →散热器(hs) →大气(a) 。热阻存在于热量传播的所有材料中。就功率器件而言,大部分产生的热量都会通过散热器等预定路径,因此从半导体芯片到大气的热阻是沿途所有热阻的总和。

  散热设计示例
  现在,我们实际进行一个简单的热辐射计算。由于产生的热量(功耗)和环境温度通常在一开始就已知,因此该过程首先选择将半导体芯片的温度保持在允许值以下所需的散热器。让我们通过设置如下条件来计算所需的散热器。发热和环境温度假设最坏情况。实际上,我并不经常以消耗 10W 的方式使用 TO-220 封装。
  最大热值10W
  最高环境温度50℃
  晶体管最大额定值:Pc=50W(Tc=25℃),Tj=150℃,外形尺寸:TO-220
  其他部分使用云母片和硅脂
  首先,计算从半导体芯片到外部空气所需的总热阻。在此条件下,芯片与外界空气的温差ΔT j-a为100℃,发热量Q为10W。因此,根据θ = ΔT / Q,总热阻 (θ j -a )必须小于100℃ / 10W = 10[℃/W]。顺便说一句,Tj是芯片(结)温度,Tc是封装(外壳)表面温度,Ta是大气(大气)温度。
  接下来,从所需的总热阻中减去芯片到散热器的热阻。其中包括芯片与封装之间、封装与散热器之间的热阻,减去它们,剩下的热阻就是散热器所需的性能。
  首先,从芯片到封装表面的热阻 (θ j-c )。这通常在晶体管的数据表中说明,但如果您不确定,请按如下方式计算:根据
  θ = ΔT / Q , θ j-c = T j-c / Q = (150-25) / 50 = 2.5[℃/W]
  接下来,从封装到散热器的热阻 (θ c-r )。这是封装和散热器之间接触区域的热阻,根据装配条件(有无绝缘片和硅脂、紧固扭矩等)而变化。例如,TO-220 封装如下所示:
  云母片
  无硅脂
  含硅脂
  没有任何2.0℃/瓦0.5℃/瓦
  可5.0℃/瓦2.5℃/瓦
  本例中使用云母片绝缘和硅脂,因此值为2.5[℃/W]。现在我们知道了从芯片到散热器的热阻,我们可以从所需的总热阻 (θ j-a )中减去这些值。那么,
  θ j-a - θ j-c - θ c-r = 10 - 2.5 - 2.5 = 5
  ,并且所需的散热器性能为5[℃/W]或更小。但这样算出的值是一个极限值,超过就会导致损坏,不言而喻,应该根据这个值来选择有足够余量的散热器。如今,云母片已完全过时,易于加工的硅橡胶片已成为主流。它由橡胶制成,具有良好的粘合性,无需硅脂,但其缺点是耐热性较高。在最近的 TO-220 封装中,金属部件越来越多地采用树脂完全模制,并且不需要绝缘片(需要硅脂)。
  不带散热器
  如果功率器件没有配备散热器,功耗将会急剧下降。TO-220封装常在不带散热器的情况下使用,但不带散热器时,热阻(θ j-a )为数十℃/W,功耗约为1~2W。
  瞬态热阻
  即使瞬时发热量超过设计值,短时间内也可能是可以接受的。这是因为半导体芯片、封装和散热器都有自己的热容量。这可以建模为 RC 网络,主要用于间歇或瞬态操作中的热设计。即使发热是间歇性的,如果与热时间常数相比足够快(例如在开关电源中),发热也会被平均并被视为直流操作。
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