半導體器件的散熱器設計-基礎電子

精品文檔-下載后可編輯半導體器件的散熱器設計-基礎電子半導體開關器件所產生的熱量，在開關電源中占主導地位，其熱量主要于半導體開關器件的開通、關斷及導通損耗。采用軟開關方式（ZCS或ZVS）可以使電路中的電壓或電流在過零時開通或關斷，可以大限度地減少開關損耗，但是也無法徹底消除開關管的損耗，故利用散熱器是常用的主要方法之一。

1散熱器的熱阻模型

散熱器是開關電源的重要組成元件，它的散熱效果的好與壞關系到開關電源的工作性能。散熱器通常采用銅或鋁，雖然銅的熱導率比鋁高兩倍，但其價格比鋁高得多，故目前普遍采用鋁型材做散熱器。鋁型材的表面積越大，其散熱效果越好。散熱器的熱阻模型及其等效電路如圖1（a）、（b）所示。

圖1散熱器的熱阻模型及其等效電路

半導體結溫公式如下：

式中PC——功率開關管工作時的損耗；PCmax——功率開關管的額定損耗；Tj——功率開關管的結溫；Tjmax——功率開關管的允許結溫；Ta——環(huán)境溫度；Tc——預定的工作環(huán)境溫度；Rs——絕墊熱阻；Rc——接觸熱阻（半導體管和散熱器的接觸部分）；Rf——散熱器的熱阻（散熱器與空氣）；Ri——內部熱阻（PN結接合部與外殼封裝）；Rb——外部熱阻（夕卜殼封裝與空氣）。

根據(jù)圖（b）所示的熱阻等效電路，全熱阻可以寫成為

Rj-a=Ri+[Rb.(Rs+Rc+Rf)]/(Rb+Rs+Rc+Rf)

因為Rb》（Rs+Rc+Rf）,故可以近似認為

Rj-a=Ri+Rs+Rc+Rf

（1）PN結與外部封裝之間的熱阻抗（又叫內部熱阻抗）Ri與半導體PN結構造、所用材料、外部封裝內的填充物直接相關，每種半導體都有自身圃有的熱阻抗。

（2）接觸熱阻抗Rc是由半導體、封裝形式和散熱器的接觸面狀態(tài)所決定的。接觸面的平坦度、粗糙度、接觸面積、安裝方式等，都會對它產生影響。當接觸面不平整、不光滑或接觸面緊固力不足時，就會增大接觸熱阻抗Rc。在半導體管和散熱器之間涂上硅油時，可以增大接觸面積，排除接觸面之間的空氣，硅油本身又具有良好的導熱性，可以大大降低接觸熱阻抗Rc。

當前有一種新型的相變材料，專門設計用以采取代硅油作為傳熱界面，在65℃（相變溫度）時從固體變?yōu)榱黧w，從而可以確保界面的完全潤濕，該材料的觸變特性可以使其避免流到界面外。它的傳熱效果與硅油相當，但沒有硅油帶來的污垢，環(huán)境污染和難以操作的缺點。可以用于不需要電氣絕緣的場合。典型的應用包括CPU散熱片、功率轉換模塊，或者其他任何簧片固定的硅油應用場合，它可以涂布在鋁質基材的兩面，可以單面附膠、雙面附膠或不附膠。

（3）絕緣墊熱阻Rs。絕緣墊用于半導體器件和散熱器之間的絕緣，絕緣墊的熱阻抗R，取決于絕緣材料的材質、厚度和面積。表1中列出了幾種常用半導體封裝形式的Rs+Rc。

表1幾種封裝形式的Rs+Rc

（4）散熱器熱阻抗Rf。散熱器的熱阻抗Rf與散熱器的表面積、表面積處理方式、散熱器表面空氣的風速、散熱器與周圍的溫度差有關。因此一般都會設法增強散熱器的散熱效果，主要的方法有增加散熱器的表面積、設計合理的散熱風道、增加散熱器表面的風速等。散熱器的散熱面積設計值如圖2所示。

但是如果過于追求散熱器的表面積，而使散熱器的叉指過于密集則會影響到空氣的對流，熱空氣不易于流動也會降低散熱效果。自然風冷時散熱器的叉指間距應適當增大，選擇強制風冷時，則可以適當減小叉指的間距，如圖3所示。

圖2散熱器的散熱面積設計值圖3散熱器的叉指間距選擇

（5）散熱器的表面積計算。

式中△T——散熱器溫度與周圍環(huán)境溫度（Ta）之差（℃）；α——傳導系數(shù)，是由空氣的物理性質及空氣流速決定的。α的值可以表示為

式中λ——熱電導率由空氣的物理性質決定；L——散熱器高度；Nu——空氣流速系數(shù)。

凡的值由式（14－13）決定

式