（高清版）GBT 8446.2-2022 電力半導體器件用散熱器 第2部分：熱阻和流阻測量方法

代替GB/T8446.2—2004電力半導體器件用散熱器第2部分：熱阻和流阻測量方法國家標準化管理委員會IGB/T8446.2—2022前言 12規(guī)范性引用文件 3術(shù)語和定義 14熱阻測量方法 24.1原理 24.2溫度測量的規(guī)定點 24.3規(guī)定點溫度的測量 34.4測量系統(tǒng) 34.5測量條件 54.6測量程序 55流阻測量方法 65.1原理 65.2壓力測量的規(guī)定點 65.3測量系統(tǒng) 75.4測量條件 75.5測量程序 7附錄A(資料性)通過測量熱流確定雙側(cè)散熱半導體器件用散熱體的熱阻 8附錄B(資料性)熱平衡相對誤差計算 參考文獻 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。GB/T8446《電力半導體器件用散熱器》與下列標準共同構(gòu)成我國電力半導體器件用散熱器系列標準：——JB/T——JB/T——JB/T——JB/T電力半導體器件用型材散熱器技術(shù)條件；電力半導體器件用型材散熱體外形尺寸；電力半導體器件用熱管散熱器；電力半導體器件用散熱器選用導則。本文件是GB/T8446《電力半導體器件用散熱器》的第2部分。GB/T8446已經(jīng)發(fā)布以下部分：——第1部分：散熱體；——第2部分：熱阻和流阻測量方法；——第3部分：絕緣件和緊固件。本文件代替GB/T8446.2—2004《電力半導體器件用散熱器第2部分：熱阻和流阻測試方法》。與GB/T8446.2—2004相比，除結(jié)構(gòu)調(diào)整和編輯性改動外，主要技術(shù)變化如下：a)增加了“規(guī)范性引用文件”“術(shù)語和定義”兩章(見第2章和第3章);b)更改了熱阻測量的規(guī)定，并作為第4章(見第4章，2004年版的第2章～第5章);c)更改了流阻測量的規(guī)定，并作為第5章(見第5章，2004年版的3.2、3.4和第5章)。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件由中國電器工業(yè)協(xié)會提出。本文件由全國電力電子系統(tǒng)和設備標準化技術(shù)委員會(SAC/TC60)歸口。本文件起草單位：祥博傳熱科技股份有限公司、廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司、西安派瑞功率半導體變流技術(shù)股份有限公司、江蘇新彩陽機電技術(shù)有限公司、河北華整實業(yè)有限公司、中車株洲電力機車研究所有限公司、江蘇宏微科技股份有限公司、江蘇海鼎電氣科技有限公司、湖北臺基半導體股份有限公司、西安電力電子技術(shù)研究所。本文件及其所代替文件的歷次版本發(fā)布情況為：——1987年首次發(fā)布為GB/T8446.2,2004年第一次修訂；——本次為第二次修訂。GB/T8446《電力半導體器件用散熱器》給出構(gòu)成電力半導體器件用散熱器的散熱體、絕緣件和緊固件的技術(shù)要求，檢驗規(guī)則，標志、包裝、運輸和貯存要求以及散熱體的熱阻和流阻測量方法，擬由3個部分組成?！?部分：散熱體。目的在于規(guī)定構(gòu)成電力半導體器件用散熱器的散熱體的術(shù)語和定義、技術(shù)——第2部分：熱阻和流阻測量方法。目的在于規(guī)范構(gòu)成電力半導體器件用散熱器的散熱體(包括鑄造、擠壓、型材和熱管散熱體)的熱阻和流阻測量方法。——第3部分：絕緣件和緊固件。目的在于規(guī)定構(gòu)成電力半導體器件用散熱器的絕緣件和緊固件的技術(shù)要求、檢驗規(guī)則以及標志、包裝、運輸和貯存要求。1電力半導體器件用散熱器第2部分：熱阻和流阻測量方法本文件給出了電力半導體器件用散熱體的熱阻和流阻的術(shù)語和定義以及測量方法。本文件適用于電力半導體器件用散熱體(包括鑄造、擠壓、型材和熱管散熱體)的熱阻和流阻測量。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T8446.1—2022電力半導體器件用散熱器第1部分：散熱體3術(shù)語和定義GB/T8446.1—2022界定的術(shù)語和定義適用于本文件。R在熱平衡條件下，散熱體臺面溫度和冷卻媒質(zhì)中的規(guī)定點溫度之間的溫度差與產(chǎn)生該溫度差的耗散功率(熱流)之比。注：熱阻的單位為攝氏度每瓦(℃/W)或開爾文每瓦(K/W)。(散熱體的)流阻inlet-outletfluidpressuredrop(ofaradiator)(散熱體的)壓力降在穩(wěn)態(tài)條件下，規(guī)定的風道或水路中，冷卻媒質(zhì)在散熱體上游側(cè)規(guī)定點和下游側(cè)規(guī)定點處的總壓力的差。注1:流阻在風道系統(tǒng)中也稱為風阻，在水路系統(tǒng)中也稱為水阻。注2:流阻的單位為帕(Pa)。注3:散熱體在風道或水路中相向迎面冷卻媒質(zhì)流向的一側(cè)為上游側(cè)，其相反的一側(cè)為下游側(cè)。注4:總壓力為靜壓力與動壓力的代數(shù)和。冷卻媒質(zhì)coolingmedium將半導體器件產(chǎn)生的熱量帶走的液體(例如，水)或氣體(例如，空氣)。[來源：GB/T3859.1—2013,3.8.1,有修改]2GB/T8446.2—20224熱阻測量方法4.1原理施加流經(jīng)散熱體的熱流(功率)P。達到熱平衡后，測量散熱體臺面溫度T、和冷卻媒質(zhì)(例如，水或空氣)中的規(guī)定點的溫度T.。散熱體的熱阻R、由公式(1)計算。式中：Rs——散熱體的熱阻；T、——散熱體臺面溫度；T,——冷卻媒質(zhì)中的規(guī)定點的溫度；P——造成規(guī)定點之間的溫度差的熱流(功率)。單側(cè)散熱半導體器件(例如，螺栓形器件、某些半導體模塊)用散熱體的熱阻可直接由公式(1)計算。雙側(cè)散熱半導體器件用散熱體的熱阻被認為由其高電位主端子側(cè)散熱體的分熱阻R。與其低電位主端子側(cè)散熱體的分熱阻R(k)并聯(lián)構(gòu)成。兩個分熱阻分別由公式(2)和公式(3)計算。 (2)式中：R()——雙側(cè)散熱半導體器件高電位主端子側(cè)散熱體的分熱阻；T(A)——雙側(cè)散熱半導體器件高電位主端子側(cè)散熱體的臺面溫度；T,——冷卻媒質(zhì)中的規(guī)定點的溫度；PA——流經(jīng)雙側(cè)散熱半導體器件高電位主端子側(cè)散熱體的功率。式中：R(k)——雙側(cè)散熱半導體器件低電位主端子側(cè)散熱體的分熱阻；T(k)——雙側(cè)散熱半導體器件低電位主端子側(cè)散熱體的臺面溫度；T,——冷卻媒質(zhì)中的規(guī)定點的溫度；Pk——流經(jīng)雙側(cè)散熱半導體器件低電位主端子側(cè)散熱體的功率。雙側(cè)散熱半導體器件用散熱體的熱阻由公式(4)計算。式中：R——雙側(cè)散熱半導體器件用散熱體的熱阻；Rs(A)——雙側(cè)散熱半導體器件高電位主端子側(cè)散熱體的分熱阻；R(k)——雙側(cè)散熱半導體器件低電位主端子側(cè)散熱體的分熱阻。通過測量熱流確定雙側(cè)散熱半導體器件用散熱體的熱阻的方法見附錄A。4.2溫度測量的規(guī)定點4.2.1測量散熱體臺面溫度T、的規(guī)定點為該臺面上的下游側(cè)，一個直徑0.其位置如下：3——熱源為雙側(cè)散熱器件：其管殼的臺面圓周外2mm處；——熱源為螺栓形器件：其管殼的底座最大直徑的圓周外2mm處；——熱源為半導體模塊：其底板的長邊中點外2mm處。4.2.2測量冷卻媒質(zhì)溫度T.的規(guī)定點為：——空氣冷卻散熱體：規(guī)定的風道中，被測散熱體的上游側(cè)距其300mm處(見4.4.3.1)、風道通風路徑橫截面的幾何中心點；——水冷卻散熱體：規(guī)定的冷卻水管道中，被測散熱體的上游側(cè)、距冷卻水進入其端口200mm±5mm、沿冷卻水管道的垂直徑向且距管道內(nèi)壁底部d/3(d為管道內(nèi)徑)處(見4.4.3.2);——自冷散熱體(適用時):自冷環(huán)境箱中，被測散熱體中心正下方200mm處。注：對于空氣冷卻散熱體或自冷散熱體，通常用T。代替T,。T。為測量時的環(huán)境空氣溫度。4.3規(guī)定點溫度的測量4.3.1散熱體臺面溫度(T、)可使用截面直徑不大于0.25mm、熱端焊球直徑不大于0.8mm的熱電偶測量，且保持熱電偶的熱端不出現(xiàn)短路。宜采用如下方法安裝熱電偶：——將熱電偶的熱端焊球插入散熱體臺面上的溫度規(guī)定點；——敲擊溫度規(guī)定點孔口處的金屬，使孔中的熱電偶熱端焊球與孔的內(nèi)壁緊密、可靠地接觸。4.3.2冷卻媒質(zhì)溫度T,或環(huán)境空氣溫度T。使用測溫儀測量。測量系統(tǒng)包括加熱電流單元、溫度測量儀表以及測量冷卻媒質(zhì)(水或空氣)規(guī)定點溫度和速度(對于空氣冷卻散熱體)或流量(對于水冷卻散熱體)的溫度測量儀表和風速計、流量計。熱阻測量的準確度主要取決于功率P和散熱體臺面溫度T、的測量準確度。安培表、伏特表或瓦特表和測溫儀的準確度不應低于0.5級。如果測量系統(tǒng)的電壓達幾十伏，應注意避免影響測量結(jié)果。4.4.2功率(熱流)的產(chǎn)生可使用半導體器件或?qū)⒎蠚W姆定律的電阻性元件封裝在半導體器件管殼內(nèi)制成的發(fā)熱元件作為熱源。為避免半導體器件的導通角對功率計算的影響，宜使用整流二極管作為熱源。產(chǎn)生功率(熱流)的方法有直流電流法、半正弦波電流法和發(fā)熱元件模擬法。宜采用直流電流法。如果采用其他方法，應校核其與直流電流法測量結(jié)果的一致性。a)直流電流法對作為熱源的半導體器件施加直流電流，從而產(chǎn)生功率Pa。該功率P。由公式(5)計算。式中：I,——產(chǎn)生功率P。的直流電流；Vp——半導體器件兩端的直流電壓。b)半正弦波電流法對作為熱源的半導體器件施加半正弦波電流，從而產(chǎn)生功率Pi。該功率P。由公式(6)計算。P=Vro·IFAv)+2.46×rro·If(Av)……(6)4風H溫風H溫度測量儀表式中：Vro——半導體器件的門檻電壓，單位為伏(V);rro——半導體器件的斜率電阻，單位為歐(Ω);IrAv)——產(chǎn)生功率P,的半正弦波電流的平均值，單位為安(A)。c)發(fā)熱元件模擬法對作為熱源、符合歐姆定律的電阻性元件封裝在半導體器件管殼內(nèi)制成的發(fā)熱元件施加電流，從而產(chǎn)生功率Pa。該功率P。由公式(5)計算或使用瓦特表測量。通過測量熱流確定雙側(cè)散熱半導體器件用散熱體的熱阻的方法見附錄A。4.4.3.1空氣冷卻散熱體測量系統(tǒng)空氣冷卻散熱體可使用風道測量。測量系統(tǒng)包括加熱電流單元、散熱體臺面溫度測量儀表、冷卻媒質(zhì)溫度測量儀表、風道和風速計(見圖1。圖1中的壓差計用于第5章給出的流阻測量)。加熱電流單元加熱電流冷卻發(fā)熱元件風速計壓差計散熱體臺面溫度測量儀表被測散熱體一標引序號說明：D=10mm±2mm。圖1空氣冷卻散熱體測量系統(tǒng)熱電偶的熱端應處于下游側(cè)，并加以掩蔽。溫度計的位置應符合4.2.2的規(guī)定。風速計測量探頭的位置與之相同。4.4.3.2水冷卻散熱體測量系統(tǒng)水冷卻散熱體測量系統(tǒng)包括加熱電流單元、散熱體臺面溫度測量儀表、冷卻媒質(zhì)溫度測量儀表、供水系統(tǒng)以及流量計(見圖2。圖2中的壓差計用于第5章給出的流阻測量)。冷卻媒質(zhì)溫度測量儀表探頭的位置應符合4.2.2的規(guī)定。5壓差計加熱電流單元加熱電流單元單位為毫米a)水冷卻散熱體測量流程示意圖b)溫度測量儀表位置詳圖標引序號說明：d——管道內(nèi)徑。圖2水冷卻散熱體測量系統(tǒng)自冷散熱體測量系統(tǒng)包括加熱電流單元、散熱體臺面溫度測量儀表、自冷環(huán)境箱以及測量箱中空氣溫度的溫度計。被測散熱體應懸掛于自冷環(huán)境箱內(nèi)的中部，其葉片應順應空氣的自然對流。自冷環(huán)境箱的內(nèi)部空間應足以保持箱中被測散熱體四周200mm處的溫差不大于2℃,空氣自然對流的速度不大于0.5m/s。4.5測量條件加熱功率應在被測散熱體溫升與加熱功率(宜參考被測散熱體的耗散功率)的關(guān)系曲線的線性范圍內(nèi)選取。4.5.2被測散熱體和作為其熱源的元器件的安裝力或安裝力矩安裝被測散熱體和作為其熱源的半導體器件的力或力矩應符合其產(chǎn)品標準(如果有)的規(guī)定。安裝作為熱源的發(fā)熱元件的力或力矩參照其封裝管殼對應的器件產(chǎn)品標準中的規(guī)定。4.5.3被測散熱體的冷卻條件測量過程中，被測散熱體的冷卻條件如下：——空氣冷卻散熱體：風道中的風速為6m/s,被測散熱體的上游側(cè)規(guī)定點(見4.2.2)的溫度為環(huán)境空氣溫度； 水冷卻散熱體：冷卻水流量為4L/min,被測散熱體的上游側(cè)規(guī)定點(見4.2.2)的溫度為35_3℃;——自冷散熱體：空氣自然對流的速度不應超過0.5m/s,規(guī)定點的溫度為環(huán)境空氣溫度。測量準備步驟如下：6GB/T8446.2—2022——按照4.5.2的規(guī)定，將作為熱源的半導體器件/發(fā)熱元件安裝到被測散熱體上；——將被測散熱體安置在測量系統(tǒng)中的規(guī)定位置；——按照4.2.1和4.3.1的規(guī)定安置熱電偶；——按照4.2.2和4.3.2的規(guī)定安置冷卻媒質(zhì)溫度測量儀表；——連接加熱電流單元；——調(diào)整測量儀表的零點(如果必要)。4.6.2測量步驟測量熱阻的步驟如下：——按照4.5.3的規(guī)定調(diào)整冷卻條件；——按照4.5.1的規(guī)定施加加熱電流；——達到熱平衡后，記錄加熱電流Ir[或Irav]、半導體器件兩端的直流電壓Vr(或半導體器件的門檻電壓Vro和斜率電阻rro)、規(guī)定點溫度T,(或Ta)和T、的值。如果測得的冷卻媒質(zhì)溫度T,偏差較大，可通過計算熱平衡相對誤差進行評估(見附錄B)。功率P按照4.4.2的規(guī)定計算。對于單側(cè)散熱半導體器件用散熱體，熱阻R由公式(1)計算。對于雙側(cè)散熱半導體器件用散熱體，應由公式(2)和公式(3)分別計算分熱阻R。(和R。(k),然后由公式(4)計算熱阻R。當R。=Rk,或同時滿足T、N=T(k)和PA=PK時，見公式(7)或公式(8)。 (7) (8)如果PA和(或)Pk未知而不便計算R和(或)Ra(k),熱阻R?？捎晒?9)近似計算。 (9)5流阻測量方法5.1原理流阻△p由公式(10)計算?！鱬=pin—Pou……(10)pin——上游側(cè)規(guī)定點處的冷卻媒質(zhì)壓力；pou——下游側(cè)規(guī)定點處的冷卻媒質(zhì)壓力。5.2壓力測量的規(guī)定點壓力測量的規(guī)定點為：——空氣冷卻散熱體：規(guī)定的風道中，被測散熱體的上游側(cè)和下游側(cè)距其300mm處(見4.4.3.1)、風道通風路徑橫截面的幾何中心點；——水冷卻散熱體：規(guī)定的冷卻水管道中，被測散熱體的上游側(cè)和下游側(cè)、距冷卻水進入和離開其端口200mm±5mm、沿冷卻水管道的垂直徑向且距管道內(nèi)壁底部d/3(d為管道內(nèi)徑)處(見75.3測量系統(tǒng)5.3.1空氣冷卻散熱體測量系統(tǒng)空氣冷卻散熱體測量系統(tǒng)包括測量風道中空氣速度的風速計以及測量流阻(△p)的壓差計(見圖1)。壓差計的橡膠管應分別套接在距被測散熱體的上游側(cè)和下游側(cè)300mm處的風道側(cè)壁上的金屬管上。金屬管的內(nèi)徑不應大于6mm,且不應伸入風道內(nèi)。5.3.2水冷卻散熱體測量系統(tǒng)水冷卻散熱體測量系統(tǒng)包括測量水路中冷卻水壓力pin和psut的壓力表(或測量流阻△p的壓差計),以及測量水流量的流量計(見圖2)。5.4測量條件測量條件見4.5.3。5.5測量程序測量準備步驟如下：——按照4.5.2的規(guī)定，將作為熱源的半導體器件/發(fā)熱元件安裝到被測散熱體上；——將被測散熱體安置在測量系統(tǒng)中的規(guī)定位置；——將壓力表或壓差計等測量儀表的探頭安置在規(guī)定位置；——調(diào)整測量儀表的零點(如果必要)。散熱體的流阻△p可直接由壓差計讀出，或根據(jù)被測散熱體的上游側(cè)和下游側(cè)壓力測量規(guī)定點(見5.2)處的壓力表上的讀數(shù)由公式(10)計算。8GB/T8446.2—2022(資料性)通過測量熱流確定雙側(cè)散熱半導體器件用散熱體的熱阻A.1目的通過測量熱流，確定雙側(cè)散熱半導體器件用散熱體的熱阻。A.2測量原理分別測量雙側(cè)散熱半導體器件高電位主端子側(cè)散熱體的分熱阻R。和低電位主端子側(cè)散熱體的分熱阻R(K):a)利用已校準的熱阻器(圖A.la)中置于雙側(cè)散熱半導體器件與被測散熱體之間的rA和rk],分別測量從雙側(cè)散熱半導體器件的高電位主端子側(cè)和低電位主端子側(cè)到相應兩個散熱體的熱流；1)外部施加從雙側(cè)散熱半導體器件高電位主端子側(cè)到低電位主端子側(cè)的熱流(見圖A.la)],測量串聯(lián)熱阻Rs[Rs=R(+R(k)];2)測量雙側(cè)散熱半導體器件的耗散功率[見圖A.1b]];3)測量分流到高電位主端子側(cè)和低電位主端子側(cè)的功率，由此和已知的Rs值計算兩個分熱阻。rA和rk——已校準的熱阻器a)從高電位主端子側(cè)到低電位主端子側(cè)施加熱流的裝置b)雙側(cè)散熱半導體器件耗散功率測量和校準裝置圖A.1通過測量熱流確定雙側(cè)散熱半導體器件用散熱體熱阻的裝置rA和rk的校準：式中：D——圓柱形適配器的直徑，單位為厘米(cm);l——熱敏元件安裝點間的軸向距離，單位為厘米(cm);…………9GB/T8446.2—2022λ——適配器的材料熱導率，單位為瓦每厘米開[W/(cm·K)]。由于下述原因，使用公式(A.1)僅是估算：——已知的熱常數(shù)λ不夠精確；——l值、D值和熱敏元件靈敏度的公差未知。因此，宜仔細校準適配器。校準采用圖A.1b)所示裝置進行。采用對稱的電加熱元件作為熱源，測量其總電功率P。兩個適配器以及高電位主端子側(cè)和低電位主端子側(cè)兩個散熱體的安置應相同，以使在兩側(cè)耗散的功率相等。根據(jù)測得的溫度差，可分別由公式(A.2)和公式(A.3)計算rA和rg。rk=2×(T2?-T?)/P……………(A.3)如果采用半導體器件作為發(fā)熱元件，宜采用熱對稱的器件，以避免熱流不對稱而導致復雜化?？煞D(zhuǎn)加熱元件，采用上述方法再次校準r?和rk。如果兩次結(jié)果不同，應取兩次測量的平均值。在校準和測量期間，雙側(cè)散熱半導體器件和被測散熱體應具有良好的熱絕緣，以使對環(huán)境空氣的損耗可忽略(無論如何，與校準、測量時的損耗同一數(shù)量級)。適配器可采用銅或鈹-銅。后者較硬，熱導率較低。測量高電位主端子側(cè)和低電位主端子側(cè)被測散熱體的溫度宜采用表面測量的熱電偶或電阻溫度計，且用彈簧使之與被測散熱體接觸良好。另一方法是在適配器與被測散熱體的接觸面中心正下方規(guī)定的小距離處測量溫度。但是，該距離產(chǎn)生的附加熱阻和表面接觸熱阻包含在分熱阻的測量值中。修正方法為從測量值中減去附加熱阻的典型值。重復試驗時，應定期檢查適配器與被測散熱體的接觸板的質(zhì)量。A.3注意事項A.4測量程序測量分兩步進行。a)使用圖A.la)所示的加熱和冷卻系統(tǒng)保持流過雙側(cè)散熱半導體器件的熱流。達到熱平衡后，記錄兩個適配器上的溫度Tu、T?、T?a、T?4、Ti?和Ti?。由公式(A.4)和公式(A.5)分別計算流經(jīng)雙側(cè)散熱半導體器件高電位主端子側(cè)和低電位主端子側(cè)的熱流：Pa=(T?6-Tis)/rA…………