第九章器件的温升与散热.

1、9.1 半导体器件的温升控制半导体器件的温升控制 9.2 热量的传导热量的传导 9.3 散热片散热片 小结小结9.4 热量的辐射和对流热量的辐射和对流 首首 页页&理论上半导体器件的最高温度极限是它内部的理论上半导体器件的最高温度极限是它内部的本征温度本征温度Ti，半导体器件的轻掺杂区和重掺杂区，半导体器件的轻掺杂区和重掺杂区的本征温度相同。如果超过这个温度，的本征温度相同。如果超过这个温度，PN结的特结的特性将会消失，本来起屏障作用的耗尽区将会被本性将会消失，本来起屏障作用的耗尽区将会被本征载流子代替。征载流子代替。&通常情况下，半导体器件随着它内部温度的升通常情况下，半导体

2、器件随着它内部温度的升高，能量损耗加大，当内部温度达到高，能量损耗加大，当内部温度达到200时，它时，它的能量损耗非常大。的能量损耗非常大。下 页返回下 页上 页返 回&当一个由半导体器件所形成的系统在当一个由半导体器件所形成的系统在2040的温度下运行时，则该系统的工作稳定性最好。的温度下运行时，则该系统的工作稳定性最好。温度测量系统在正常的工作温度范围内必须很精温度测量系统在正常的工作温度范围内必须很精确，必须保证在确，必须保证在125工作温度下的精确性。工作温度下的精确性。&晶闸管的最高结温低于晶闸管的最高结温低于125。当晶闸管的结。当晶闸管的结温达到温达到125时，如

3、果此时施加在晶闸管上的正向时，如果此时施加在晶闸管上的正向电压变化率电压变化率(du/dt)正好为它的最大允许值，则晶正好为它的最大允许值，则晶闸管可能会产生误导通或者关断。闸管可能会产生误导通或者关断。 下 页上 页返 回&如果器件是按高温条件进行设计，热屏蔽须对如果器件是按高温条件进行设计，热屏蔽须对换流器的每一个元件都有屏蔽作用。换流器的每一个元件都有屏蔽作用。&在某些特殊应用场合，要求器件能在高温环境在某些特殊应用场合，要求器件能在高温环境下工作，此时必须采取大范围的热屏蔽措施。下工作，此时必须采取大范围的热屏蔽措施。&电力电子设备在高温环境下运行时，散热装置电

4、力电子设备在高温环境下运行时，散热装置是必须首先考虑的一个因素。它包括散热片的尺是必须首先考虑的一个因素。它包括散热片的尺寸，重量，安装位置以及环境温度等，必要时可寸，重量，安装位置以及环境温度等，必要时可以考虑安装风扇来提高散热效果。以考虑安装风扇来提高散热效果。下 页上 页返 回&当温度超过当温度超过50时，以后每升高时，以后每升高1015，半导体，半导体器件的可靠性就会成倍的降低。器件的可靠性就会成倍的降低。&散热片是设计电力电子系统经常采用的散热方式。散热片是设计电力电子系统经常采用的散热方式。传导扩散传导扩散辐射扩散辐射扩散对流扩散对流扩散自然冷却方式自然冷却方式风扇

5、冷却风扇冷却(强迫风冷强迫风冷)液体冷却方式液体冷却方式散热片冷却方式散热片冷却方式热量扩散形式热量扩散形式下 页上 页返 回9.2.1 热阻热阻 热量由左向右进行传热量由左向右进行传导。热量总是从温度导。热量总是从温度高的一端流向温度低高的一端流向温度低的一端流动。的一端流动。 l热功率热功率 单位时间内通过某一横截面单位时间内通过某一横截面的热能。的热能。 AT1dbhPT2热量流动方向热量流动方向( (P Pcondcond) )下 页上 页返 回dTAPcondD DT: 导热材质两端的温度差，导热材质两端的温度差， D DT =T2-T1 T2: : 材质较热一端的温度材质较热一端的

6、温度，单位均为，单位均为 T1: : 温度较低一端的温度温度较低一端的温度，单位均为，单位均为 A: : 材质的横截面积材质的横截面积, ,单位为单位为m2d : : 长度，单位为米长度，单位为米：热传导率，单位为瓦每米摄氏度：热传导率，单位为瓦每米摄氏度热量的传导与导热媒质的物理特性有关，计算公式热量的传导与导热媒质的物理特性有关，计算公式为：为： 下 页上 页返 回 有一长方体的铝条，如图所示。图中有一长方体的铝条，如图所示。图中h=b=1cm,d=20cm，单位时间内输送到铝条最左端，单位时间内输送到铝条最左端的热功率的热功率Pcond为为3W。已知铝条最右端的表面温度。已知铝条最右端的

7、表面温度T1=40。试求铝条始端的温度。试求铝条始端的温度T2等于多少？等于多少？ 解解例例根据式根据式dTAPcondD)( 3 .6701. 001. 02202 . 0312CTbhdPTocond得得:AT1dbhPT2热量流动方向热量流动方向( (P Pcondcond) )下 页上 页返 回例例 一套晶体组件被封装在如图所示的长方体一套晶体组件被封装在如图所示的长方体铝条中，已知铝条中，已知h=3cm,b=4cm,d=2mm,当热量从一端当热量从一端传到另一端时，温度下降了传到另一端时，温度下降了3，若忽略其它任何，若忽略其它任何热损失，试求该铝条能传导的最大热功率热损失，试求该铝

8、条能传导的最大热功率Pcond等等于多少？于多少？解解根据式根据式dTAPcondD21()220 0.03 0.04 33960.002A TTpd(W)得得:AT1dbhPT2热量流动方向热量流动方向( (P Pcondcond) )下 页上 页返 回热阻热阻Rcond为：为： condcondPTRD 热阻与导热材质的热传导率和物理尺寸有关，它反热阻与导热材质的热传导率和物理尺寸有关，它反映了导热材质的导热能力，单位为映了导热材质的导热能力，单位为/W。 将将 代入到上式，代入到上式，dTAPcondDAdcondR得得:AT1dbhPT2热量流动方向热量流动方向( (P Pcondco

9、nd) )下 页上 页返 回等效等效热阻热阻电路中的电阻电路中的电阻等效等效热传导功率热传导功率电路中的电流电路中的电流等效等效温度温度电路中的电位电路中的电位等效等效温差温差电路中的电压电路中的电压根据热阻概念，利用电路中的相关计算公式计算热根据热阻概念，利用电路中的相关计算公式计算热传导中的有关变量，使热传导计算变得简单。传导中的有关变量，使热传导计算变得简单。下 页上 页返 回Rq q jc结结Ta隔离层隔离层外壳外壳TjRq q saRq q csP将多层导热结构用热传导等效电路的热阻串联形式表将多层导热结构用热传导等效电路的热阻串联形式表示，则从热导体本身的结到散热片的总热阻为：示，

10、则从热导体本身的结到散热片的总热阻为： Tj结结散热片散热片隔离层隔离层外壳外壳TasacsjcjacondRRRRRqqqq下 页上 页返 回结温用结温用Tj表示、散热片的温度用表示、散热片的温度用Ta表示，总散热功率表示，总散热功率用用Pcond表示表示,根据式根据式 的热传导欧姆定律，的热传导欧姆定律，则结温则结温Tj可表示为：可表示为：condcondPTRDasacsjccondjTRRRPT)(qqq只要给出了导热材质的物理参数和热传导率，就可根只要给出了导热材质的物理参数和热传导率，就可根据式据式 求出对应的热阻，再根据等效导求出对应的热阻，再根据等效导热电路模型，得到多层传导结

11、构的热分布计算公式，热电路模型，得到多层传导结构的热分布计算公式，求得导热环节不同部位的温度。求得导热环节不同部位的温度。 AdRcond下 页上 页返 回下 页上 页返 回下 页上 页返 回9.2.2 暂态热阻抗暂态热阻抗 下 页上 页返 回l暂态热阻抗暂态热阻抗暂态热冲击所呈暂态热冲击所呈现的热阻抗。现的热阻抗。 下 页上 页返 回l热容热容 导热材质的热存储能力导热材质的热存储能力 。 “热容热容”用符号用符号Cs表示：表示：dACCvsA: 材质的横截面积材质的横截面积,单位为单位为m2d : 长度，单位为米长度，单位为米Cv：导热材质单位体积内的热容量，（单位体积的：导热材质单位体积

12、内的热容量，（单位体积的热能热能Q随温度随温度T的变化率），单位为的变化率），单位为J/K(焦耳焦耳/开开)。Cv可表示为：可表示为：dTdQCv下 页上 页返 回热量的散失是时间的函数。经过一段时间后，结温热量的散失是时间的函数。经过一段时间后，结温与热量散失之间建立起一个平衡。与热量散失之间建立起一个平衡。R0Pcond(t)tRq qPcond(t)Ti(t)Ta热时间常数为：热时间常数为：4/sCRqq q qlog(t)Rq qTi(t q q)=0.833P0Rq q0)(logPtTi下 页上 页返 回如果时间如果时间t比导热材质的热时间常数比导热材质的热时间常数tB小，结温随时

13、小，结温随时间的变化关系为：间的变化关系为： 式中，式中，P0为恒定的热输入功率。当时间为恒定的热输入功率。当时间t远大于热时远大于热时间常数间常数 q q 时，可近似认为时，可近似认为Tj达到了它的最终稳态值达到了它的最终稳态值P0Rq q +Ta。aSjTCRtPtT)/(4)(0q q qlog(t)Rq qTi(t q q)=0.833P0Rq q0)(logPtTi导热材质在暂态过导热材质在暂态过程中呈现出的暂态程中呈现出的暂态热阻抗热阻抗Zq q(t)。下 页上 页返 回实际的装置中，热量流过很多层不同的物质。实际的装置中，热量流过很多层不同的物质。TaTCTjTCuP(t)热沉积

14、热沉积铜铜硅硅P(t)Rq q(S)TaCs(Cu)TjRq q(Cu)Rq q（散热片）散热片）Cs(S)Cs( (散热片散热片) )Rq q(S).Rq q(Cu).Rq q（散热片）散热片）Rq q(S). Rq q(Cu)Rq q(S)log(t) q q(S) q q(Cu) q q（散热片）散热片）0)(logPtTiTj结结散热片散热片隔离层隔离层外壳外壳Ta总的暂态热阻抗总的暂态热阻抗Zq q(t)是每层暂态热阻抗之是每层暂态热阻抗之和，不同的导热材质和，不同的导热材质有对应的暂态热阻抗有对应的暂态热阻抗曲线。曲线。下 页上 页返 回如已给定暂态热阻抗如已给定暂态热阻抗Zq(t

15、)的特性，并且已知随时间的特性，并且已知随时间变化的传导热功率变化的传导热功率P(t)，就可以估算出半导体器件，就可以估算出半导体器件的结温：的结温： ajTtZtPtT)()()(q如果输入的热功率特性为矩形脉冲函数，其脉冲宽如果输入的热功率特性为矩形脉冲函数，其脉冲宽度的有效范围为度的有效范围为0tt2，则结温的估算根据以下表，则结温的估算根据以下表达式计算：达式计算：ajTttZtZPtT)()()(20qq下 页上 页返 回Rq q(S). Rq q(Cu). Rq q（散热片）散热片）Rq q(S).Rq q(Cu)Rq q(S)log(t) q q(S) q q(Cu) q q（散

16、热片）散热片）0)(logPtTi热阻抗曲线图主要是用来估算热阻抗，并根据式热阻抗曲线图主要是用来估算热阻抗，并根据式 Tj(t)=P0Zq q(t)-Zq q(t-t2)+Ta 得到半导体的结温。得到半导体的结温。如果热输入功率如果热输入功率P(t)曲线图不是矩形脉冲形式，曲线图不是矩形脉冲形式，一般也可采用矩形脉冲来近似。一般也可采用矩形脉冲来近似。下 页上 页返 回当热输入功率为图中所示的正弦半波函数时，可当热输入功率为图中所示的正弦半波函数时，可用正弦半波峰值用正弦半波峰值P0作为矩形脉冲的幅值来近似，作为矩形脉冲的幅值来近似，对应的脉冲宽度为对应的脉冲宽度为T/4。结温估算表达式为：

17、。结温估算表达式为：ajTTtZTtZPtT)8/3()8/()(0qq等效矩形脉冲等效矩形脉冲正弦半波函数正弦半波函数T/8P(t)P0t003( )( )();8TP tPu tPu tu(t)为阶跃函数为阶跃函数3T/8T/20下 页上 页返 回要增加器件的暂态热传导功率，就必须增加器件的热要增加器件的暂态热传导功率，就必须增加器件的热时间常数时间常数 Rq q Cs/4 ，但这种方式行不通。但这种方式行不通。4/421qdCCRVsAdRconddACCvs将式将式 和式和式 相乘后相乘后（再乘上（再乘上 /4）得）得: 要增加热时间常数，就应增加要增加热时间常数，就应增加Cv的值。的

18、值。为了降低热阻，通常应增加热传导率。为了降低热阻，通常应增加热传导率。热传导路径的长度热传导路径的长度d尽量短，以减小热阻尽量短，以减小热阻Rq q。下 页上 页返 回在实际情况下，一般应优先保证选择较小的热阻在实际情况下，一般应优先保证选择较小的热阻Rq q，这时的热时间常数相对小一些。，这时的热时间常数相对小一些。大多数的功率器件拥有大大超过它的平均功率的大多数的功率器件拥有大大超过它的平均功率的过载能力。过载能力。 器件在暂态工作中的散热能力很重要的。器件在暂态工作中的散热能力很重要的。器件的过载能力不仅包括规定的暂态功率额定值，器件的过载能力不仅包括规定的暂态功率额定值，还包括它所能

19、耐受的时间。过负荷幅值的大小不同，还包括它所能耐受的时间。过负荷幅值的大小不同，器件能够耐受的时间也不相同。器件能够耐受的时间也不相同。下 页上 页返 回如散热片采用自然冷却，如散热片采用自然冷却，则它的翼片之间的距离至则它的翼片之间的距离至少少10-15mm, , 如再涂上黑如再涂上黑色的涂料，那么它的热阻色的涂料，那么它的热阻将下降将下降25%左右。左右。铝散热片铝散热片Tj结结散热片散热片隔离层隔离层外壳外壳Ta假如用风扇冷却，它的热阻假如用风扇冷却，它的热阻Rq q将会更低将会更低, , 但会减少但会减少它的热容它的热容Cs。下 页上 页返 回M尽量减少器件本身与外壳之间的热阻尽量减少

20、器件本身与外壳之间的热阻Rq qjc，有利，有利于热功的散失。于热功的散失。M在器件外壳与外壳周围之间提供一条良好的散热在器件外壳与外壳周围之间提供一条良好的散热途径。途径。铝散热片铝散热片M如散热片采用自然冷却，则它的翼片之间的距如散热片采用自然冷却，则它的翼片之间的距离至少离至少10-15mm, , 如再涂上黑色的涂料，那么它的如再涂上黑色的涂料，那么它的热阻将下降热阻将下降25%左右。左右。下 页上 页返 回Tj结结散热片散热片隔离层隔离层外壳外壳TaM铝散热片自然冷却的热时铝散热片自然冷却的热时间常数大约是间常数大约是415min。如如采用风扇冷却，其热阻采用风扇冷却，其热阻Rq q将

21、将会更低，如做的更小更轻些，会更低，如做的更小更轻些， 将降低它的热容将降低它的热容Cs。M铝散热片强迫冷却的热时间常数要比自然冷却小铝散热片强迫冷却的热时间常数要比自然冷却小很多。强迫冷却的铝散热片的时间常数很多。强迫冷却的铝散热片的时间常数tq q的典型值通的典型值通常远远不到常远远不到1min。下 页上 页返 回M强迫散热方式下，铝散热片的翼片之间的距离只强迫散热方式下，铝散热片的翼片之间的距离只要几毫米就可以了，这样可节省很多的空间。要几毫米就可以了，这样可节省很多的空间。M在大功率的装置中，还经常使用水或者油来提高在大功率的装置中，还经常使用水或者油来提高热传导效率。热传导效率。M设

22、计时，须考虑最高结温设计时，须考虑最高结温Tj.max，最高环境温度，最高环境温度Ta.max，最高工作电压以及最大工作电流。，最高工作电压以及最大工作电流。M功率器件的开关损耗可根据它的瞬态时间以及开功率器件的开关损耗可根据它的瞬态时间以及开关时间的能量损耗来估算。能量损耗关时间的能量损耗来估算。能量损耗Ploss是通态损耗是通态损耗和平均开关损耗的总和。和平均开关损耗的总和。下 页上 页返 回外围的总热阻外围的总热阻Rq qja为：为： sacsjcjacondRRRRRqqqq根据式根据式 得热导体到得热导体到LossajjaPTTR/ )(max.max.qM从结到外壳的热阻从结到外壳

23、的热阻Rq qjc一般可从功率半导体器件的一般可从功率半导体器件的说明书中查到；说明书中查到；M外壳到散热片的热阻外壳到散热片的热阻Rqcs则根据隔离层热介质的则根据隔离层热介质的不同而不同。不同而不同。下 页上 页返 回M使用热油可排除云母和晶体交界处的空气，有利使用热油可排除云母和晶体交界处的空气，有利于热的传导。于热的传导。M如果散热化合物使用得过多，那么这一层将会变如果散热化合物使用得过多，那么这一层将会变得很厚，它的热阻反而会增加。得很厚，它的热阻反而会增加。sacsjcjacondRRRRRqqqq计算从散热片到外围的热阻计算从散热片到外围的热阻Rq qsa。再根据散热片厂家。再根

24、据散热片厂家给出的说明书，选择合适的散热片。给出的说明书，选择合适的散热片。M若已知若已知Rq qjc和和Rq qcs，根据下两式，根据下两式 LossajjaPTTR/ )(max.max.q下 页上 页返 回 对于结温是对于结温是125的晶体管的晶体管TO-3来说，假设来说，假设它的散热功率是它的散热功率是26W，晶体管厂家给出的热阻值，晶体管厂家给出的热阻值Rq qjc是是0.9/W，并且使用了带散热油脂的，并且使用了带散热油脂的75m厚厚的云母隔离层，隔离层的总热阻是的云母隔离层，隔离层的总热阻是0.4/W，环境，环境温度最高假设为温度最高假设为55，求散热片和周围环境之间，求散热片和

25、周围环境之间的热阻需要多大。的热阻需要多大。解解)(391)4090(26551251-saCW.R例例可选用热阻为可选用热阻为1.3/W的散热片，这种散热片能让的散热片，这种散热片能让结温保持在结温保持在122.6，比，比125低一点。低一点。下 页上 页返 回9.4.1 根据热量辐射定义的热阻根据热量辐射定义的热阻 波尔茨曼定律热量辐射转移功率表达式为：波尔茨曼定律热量辐射转移功率表达式为： -844radsa5.7 10 E A ()PTTPrad：辐射功率，单位瓦特；：辐射功率，单位瓦特；E： 物体表面辐射系数；物体表面辐射系数；Ts： 物体表面温度；物体表面温度；Ta ：周围环境温度

26、，单位均为开；：周围环境温度，单位均为开；A： 散热片表面积（包括翼片的面积），单位散热片表面积（包括翼片的面积），单位m2 。下 页上 页返 回黑色氧化铝散热片，式黑色氧化铝散热片，式可写成：可写成： -844radsa5.7 10 E A ()PTTsa44rad5.1A()() 100100TTPcondcondPTRD根据根据上式和上式和可以得出：可以得出：D44.)100()100(1 . 5asradTTATRq下 页上 页返 回如果如果Ts=120=393K，Ta=20=73K那么那么Rq q,rad可以通过下式求出：可以通过下式求出： ARrad12. 0,q 对于边长为对于边

27、长为10厘米的正方体黑色氧化铝，假设厘米的正方体黑色氧化铝，假设Ts=120，Ta=20时，求时，求Rq q,rad。解解)(21 . 0612. 012,CWRradq例例下 页上 页返 回9.4.2 热的对流及其热阻热的对流及其热阻如果有一个垂直的表面，它的垂直高度如果有一个垂直的表面，它的垂直高度dvert低于低于1米米（海拔高度），那么它和周围空气热量对流的功率（海拔高度），那么它和周围空气热量对流的功率表达式如下：表达式如下： 1.25conv0.25vert()1.34A()TPdDPconv: :热量对流损失的功率，单位瓦特；热量对流损失的功率，单位瓦特；T : :物体表面和周围

28、空气的温差，单位摄氏度或物体表面和周围空气的温差，单位摄氏度或K；A: :垂直表面积（或物体总表面积），单位平方米；垂直表面积（或物体总表面积），单位平方米；dvert: :物体垂直高度，单位米。物体垂直高度，单位米。 下 页上 页返 回condcondPTRD.q结合结合1.25conv0.25vert()1.34A()TPdD和和可得到按对流定义的热阻表达式：可得到按对流定义的热阻表达式： 假如假如dvert=10cm， T=100， 则：则：25. 0.)(34. 11TdARvertconvDqC/W)(13. 0o.ARconvq下 页上 页返 回 有一个很薄的长条状物体，它的表面温

29、度是有一个很薄的长条状物体，它的表面温度是120，而周围空气温度是，而周围空气温度是20，该物体由，该物体由10cm高，高，8cm宽，求它的对流热阻宽，求它的对流热阻Rq q,conv。解解假如例假如例4中的立方体的对流热阻与例中的立方体的对流热阻与例5中的长条状物中的长条状物体一样体一样, ,那么由辐射热阻和对流热阻可以得到总的那么由辐射热阻和对流热阻可以得到总的热阻为：热阻为： )( 1.C/WRRRRRconvradconvradsaqqqqq)/(2 . 2)1001 . 0(08. 01 . 0234. 1125. 0.WCRoconvq例例下 页上 页返 回9.4.3 散热片和周围环境之间的热量计算散热片和周围环境之间的热量计算 假设假设Ts=120，Ta=20。现根据上面讨论过的原理现根据上面讨论过的原理来计算散热片和周围环境之间的热阻来计算散热片和周围环境之间的热阻Rqsa。A1A20.063m0.092m0.009m0.075m0.063m0.115m0.07