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功率半導(dǎo)體元件散熱設(shè)計(jì)指南
功率半導(dǎo)體元件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱損耗。若發(fā)熱量過大且無法及時(shí)消散，元件可能因超過正常工作溫度而失效。因此，選擇合適的散熱器是確保元件可靠工作的重要條件。
核心概念
- 元件工作結(jié)溫（Tj）：元件允許的最高工作溫度極限，由制造商提供或產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
- 元件損耗功率（P）：元件工作時(shí)產(chǎn)生的平均穩(wěn)態(tài)功率消耗，計(jì)算公式為有效值輸出電流與有效值電壓降的乘積。
- 耗散功率（Q）：特定散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力。
- 熱阻（R）：熱量在媒質(zhì)之間傳遞時(shí)，單位功耗所產(chǎn)生的溫升。
R=ΔT/Q
散熱器選配原則
散熱器的配置目的是確保元件熱損耗有效傳導(dǎo)至周圍環(huán)境，并使結(jié)點(diǎn)溫度不超過 Tj。公式表示為：
P < Q = (Tj - Ta) / R
其中，熱阻 R 由三部分組成：
R = Rjc + Rcs + Rsa
- Rjc：結(jié)點(diǎn)至管殼的熱阻，與元件的工藝水平和結(jié)構(gòu)有關(guān)，由制造商提供。
- Rcs：管殼至散熱器的熱阻，與填隙介質(zhì)、接觸面粗糙度、平面度及安裝壓力相關(guān)。
(參考值：風(fēng)冷安裝時(shí)，Rcs≈0.1Rjc) - Rsa：散熱器至空氣的熱阻，是散熱器選型的關(guān)鍵參數(shù)，與材質(zhì)、形狀、表面積、體積及空氣流速有關(guān)。
綜合上述公式，散熱器選配的基本原則為：
Rsa < [(Tj - Ta) / P] - Rjc - Rcs
散熱器廠商通常提供特定散熱器的形狀參數(shù)和熱阻特性曲線，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算所需散熱器的表面積、長(zhǎng)度、重量及熱阻值 Rsa。
注意事項(xiàng)
理論分析是普適原則，實(shí)際設(shè)計(jì)中需留出足夠余量，以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、安裝狀況、空氣對(duì)流狀態(tài)及熱量分布等非理想化因素。
散熱器表面向空氣的熱輻射也是一種熱耗散方式。在自冷設(shè)計(jì)中，陽極氧化發(fā)黑和打毛處理可增加熱輻射效率，但在強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)中，散熱器表面越光亮則熱阻越低，需特別注意。