损耗与散热设计#特选借鉴

1、第八章损失和散热设计开关电源是电力设备，电力零件损失大，损失引起发热，零件温度上升，零件温度不超过最高允许温度，必须输送零件的热，需要散热器和良好的散热措施，设备的体积重量限制在损失。 另外，输出一定电力时的损失大，就意味着效率低。8.1热输送电子部件的电力损失以热的形式表现，热能的积累增加部件内部的结构温度，部件内部的温度限制在最高允许温度，内部的热必须向环境释放。 当损耗功率和消耗到环境中的功率相等时，内部温度就变成稳定状态。lP T1 A能量流(电力) T2图8-1热隔离的棒能量传递1 .传导传导是从有热能的质点传递到下一个质点，而传热的质点保持着其原始位置的传递过程，是图8-1的固体内

2、的热传导。 热量从表面温度T1的一端传递到温度T2的另外一端，每单位时间传递的能量，即电力(8-1)仪式中(8-2)被称为热电阻(/w ) l -热传导体的与传输路径长度(m) A-热传输路径垂直的导体截面积(m2) 棒材料的热传导率(W/m)，含有铝90%的热传导率为220W/m，几种材料的热传导率为表8-1所示的T=T1-T2温度表8-1材料空气铝氧化铝氧化铍铜环氧树脂铁金云母硅橡胶(W/m)2.410-2225202084010.3713390.430.26/氧化铝绝缘隔板的厚度为0.5mm，截面积为2.5cm2，求出热阻。解：由表8-1调查=20 W/m，由式(8-2)得到/WPSTa

3、PSTj热流p(a )rjc RCS PS PK东京电视台PB公司-是(b )图8-2功率器件的热输送等效热电路图公式(8-1)类似于电路中欧姆定律：功率p相当于电路中的电流，相当于温差的t相当于电路中的电压。半导体结的热传递到周围空气必然通过几种不同的材料，各种材料有自己的热传导率、截面积和长度，多层材料的热传导能绘制热电模拟的热电路图。 图8-2是功率器件从硅芯片的热向环境传递的热路径(a )和等效热路径(b )。 与环境相关的总热阻(8-3)上式右边的前两个热电阻可以用式(8-2)计算，最后一项的热电阻可以用后面说明的方法计算。 设功率器件的损耗功率为p，则连接点温度为(8-4)式中Rj

4、c、Rcs和Rsa分别表示芯片与封装接合，封装的散热器和散热器成为环境热阻。 除了从散热器到环境的热电阻Rsa以外，剩下的两个热电阻可以用式(8-2)计算。根据式(8-4)，为了使结温Tj不超过最高允许温度TjM，设备需要降低功耗p或降低热电阻。 一定的封装决定了封装和芯片的结构，并决定了与封装的内部热电阻Rjc接合。 如果想减小Rjc，热输送路径l必须尽可能地短，虽然需要尽可能地增大受到设备受到的电压、机械平坦度等限制的传输截面积，但受到寄生电容等的制约。封装一般使用热传导率高的材料来降低热阻。 高输出设备直接安装在空气冷却，甚至水冷散热器上。 为了尽可能减少与壳接合的热电阻Rjc，一般可以

5、小于1W/。手册中经常记载有壳热电阻Rjc、最高允许结温TjM和最大允许损耗PM、或最高允许结温TjM最大允许功率损耗PM和允许壳温度Tc。 在后者的情况下，可以根据已知的数据知道与壳接合的热电阻W/ (8-5)外壳和散热器通常有绝缘垫片，绝缘垫片可以使用氧化铝、氧化铍、云母和其他绝缘导热材料。 外壳和散热器的热电阻Rcs有绝缘隔板热电阻和接触热电阻两部分。 绝缘导热隔板的热电阻可以用式(8-2)计算。 例如TO-3封装用75m绝缘云母片的热电阻约为1.3/W。 但是，固体表面要做得更好，表面经常点接触，存在大的接触热电阻，要施加适当的组装压力，增大接触面。 尽管如此，表面间存在气隙，对热阻有

6、很大的影响。 压力过大时，设备内部的结构会变形，可能会相反。 一般使用扭矩板，保证一定的压力，防止元件的安装变形。 同时，材料接触表面平坦，没有肿瘤、坑，以适当的压力，在绝缘间隔件上涂上混合了热传导好的氧化锌的润滑脂，驱逐表面间的空气，使接触热阻降低50%30%。 在TO3封装件上涂敷硅脂或热传导材料时的热阻约为0.4/W。 如果使用太多复合材料，层太厚会增加热阻。 接触热电阻可以用下式计算W/ (8-6)a是接触表面积，cm2； -金属对金属为1，金属对阳极化为2； 如果有硅酮润滑脂，分别是0.5和1.4。2 .过渡热电阻众所周知，物体在传热之前必须吸收一定的热能进行加热。 并且，热源去除后

7、，这部分的热能经过一定的时间放出，温度下降到环境温度。 这和电容器的充电和放电效果相似。 在热电模拟等效热路中引入热容量的概念。TJ (t ) PS (t )PoPS频道PSPS(a) (b )。Zt Rt0 t(c )图8-3等效热路过渡热电阻(a )、阶跃输入(b )、过渡热电阻响应在电源的接通、断开、过渡过载等情况下，功率设备的瞬时损失(浪涌)大幅度超过平均损失，芯片结温度是否瞬间上升，结温度是否超过最大允许结温度，与功率浪涌的持续时间和设备的热特性关系过渡性的情况下，必须在传热的热路上考虑热容量Cs。 材料的每单位体积(或质量)的热容量是热能q相对于材料温度t的变化率，即其中，Cv称为

8、单位体积热容量、单位温度(k )体积焦耳或比热。 对于矩形截面a材料，长度(热输送方向) d的热容量Cs如下(8-7)结温度瞬态特性类似于电力传输线，等效电路方程的解很复杂。 可以通过热电模拟得到方程式的近似解，稳态模型如图8-2所示。 如果输入功率P(t )是阶跃函数(图8-3(a ) )，则考虑了热容量的等效热路如图8-3(a )所示，短时间温度上升Tj(t )为(8-8)式中P0是功率步长，假设t小于热时间常数近似解(8-9)如果时间大于时间常数，则Tj接近稳态值P0Rt Ta。 图中的纵轴Tj/P0是过渡热电阻Zt(t)=Tj(t)/P0。 但是，热传递类似于电网的传输线，不是集中参数

9、，热时间常数不容易使用类似电路的RC时间常数。 式(8-9)是时间小于时的级数展开项，是t的1/2次方，不是单纯的指数关系。在实际装置中，热传输路径不是材料，而是多种材料的多层结构，而实际的热系统是非线性高阶系统。 制造商在功率器件手册中提供了如图8-4所示的过渡阻抗曲线。如果你知道输入功率的时间函数，可以利用热电阻曲线预测接合温度(8-10 )单脉冲(热电阻)峰值Tj=PDMZtjc Tc占空比注：热电阻(Ztjc )矩形脉冲宽度(s )将图8-4 IRFI4905 MOSFET接合到壳体最大过渡热阻图(International Rectifier -IR )上例如，IRFI4905在启动

10、时的瞬时矩形功率脉冲150W、脉冲宽度20s、占空比D=0.2、Ztjc=0.53 W/下，调查了周围温度35 实际上，可以基于功率脉冲通常不是矩形的，而振幅相等并且能量(功率时间积分)相等的原则来确定脉冲宽度。3 .散热器在式(8-3)中，解决了器件制造商提供的Rjc和Rcs，后者可以根据绝缘要求通过适当的材料计算求出。 对于一定的损耗功率p，请选择适当的散热器，确保设备的结温不超过最大允许结温。现在使用的散热器平板，叉指式和散热片铝型材。 自然冷却散热器散热片之间的距离要大，至少要1015mm。 散热器表面的黑色阳极化使热阻减少了25%，但成本增加了。 自然对流冷却热时间常数为415分钟。

11、 插入风扇后，热阻降低，散热器变小变轻，热容量Cs也减少。 强制空冷散热器远小于自然对流冷却散热器。 强制空冷散热器热时间常数的标准值也可以小于1分钟。 用于强制空冷散热器的叶片间的距离可以为数mm。 在高输出额定功率下，采用热管技术和油冷、水冷，进一步改善热传导。散热器的大小与设备可接受的最高接合温度有关. 对最坏情况的设计，规定了最高结温度TjM、最高环境温度Tamax、最高工作电压和最大通电电流。 如果知道最大占空比、最大通电电流、最大通电电阻(可以手动地调查TjM和最大电流)，就可以计算功率器件的最大电力损失。设备结温为125，TO-3晶体管时，功耗为26W，制造商提供Rjc=0.9/

12、W。 使用带润滑脂的75m云母垫片，其综合热阻为0.4/W。 散热器安装场所的最坏的环境温度是55，根据式(8-4)求出从散热器到周围的热阻时/W手册中充分显示铝型材的单位长度的热电阻，根据计算出的散热器热电阻求出该散热器型材所需的长度。4 .对流和辐射传热制造商提供的散热器数据是该散热器在规定的环境温度下从散热器到环境的热电阻Rsa。 这个热电阻包含放射热电阻和对流热电阻，与环境温度有关。 因此，需要知道散热器的对流和辐射传热机构。 对流和辐射热阻与传导热电阻并联。辐射热电阻根据史蒂文波尔兹曼定律，放射出的热量(8-11a )p为放射功率(w) e，表面放射率Ts，表面温度(k) Ta为环境

13、温度，或环境温度(k) a为散热器的外表面(包括刀片) (m2 )。 黑色氧化铝散热器E=0.9那样的黑色表面的情况。 在研磨铝中，e可能很小，为0.05。关于黑色耐酸铝散热器，可以重新写上式(8-11b )根据热路欧姆定律，辐射热电阻Ts=120=393K； Ta=20=293K时，辐射热电阻/W例如，一侧10cm表面被阳极化的黑色立方体、表面温度Ts=120、周围温度Ta=20、辐射热电阻/W对流热电阻垂直高度d小于1m时，对流带来的热能(W) (8-12 )t是物体温度和周围空气的温差()，a是垂直表面积(或物体总表面积) (m2 )，d物体垂直高度(m )。 根据热欧姆定律，对流热阻(8-13 )d=10cm厘米，T=100/W例如：薄板的表面温度为120，环境温度为20，板的高度为10cm，宽度为30c