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功率器件熱設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2009-07-17

中心議題:
  • 功率器件熱性能的主要參數(shù)
  • 功率器件熱設(shè)計(jì)
  • 散熱器的選取
解決方案:
  • 計(jì)算功率器件結(jié)溫是否工作在安全結(jié)溫之內(nèi)
  • 將功率器件安裝散熱器
  • 器件底面不絕緣,需要另外加云母片絕緣
當(dāng)前,電子設(shè)備的主要失效形式就是熱失效。據(jù)統(tǒng)計(jì),電子設(shè)備的失效有55%是溫度超過(guò)規(guī)定值引起的,隨著溫度的增加,電子設(shè)備的失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)。所以,功率器件熱設(shè)計(jì)是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽略的一個(gè)環(huán)節(jié),直接決定了產(chǎn)品的成功與否,良好的熱設(shè)計(jì)是保證設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)。

功率器件熱性能的主要參數(shù)

功率器件受到的熱應(yīng)力可來(lái)自器件內(nèi)部,也可來(lái)自器件外部。若器件的散熱能力有限,則功率的耗散就會(huì)造成器件內(nèi)部芯片有源區(qū)溫度上升及結(jié)溫升高,使得器件可靠性降低,無(wú)法安全工作。表征功率器件熱能力的參數(shù)主要有結(jié)溫和熱阻。

器件的有源區(qū)可以是結(jié)型器件(如晶體管)的PN結(jié)區(qū)、場(chǎng)效應(yīng)器件的溝道區(qū),也可以是集成電路的擴(kuò)散電阻或薄膜電阻等。當(dāng)結(jié)溫Tj高于周圍環(huán)境溫度Ta時(shí),熱量通過(guò)溫差形成擴(kuò)散熱流,由芯片通過(guò)管殼向外散發(fā),散發(fā)出的熱量隨著溫差(Tj-Ta)的增大而增大。

為了保證器件能夠長(zhǎng)期正常工作,必須規(guī)定一個(gè)最高允許結(jié)溫Tjmax。Tjmax的大小是根據(jù)器件的芯片材料、封裝材料和可靠性要求確定的。

功率器件的散熱能力通常用熱阻表征,記為Rt,熱阻越大,則散熱能力越差。熱阻又分為內(nèi)熱阻和外熱阻:內(nèi)熱阻是器件自身固有的熱阻,與管芯、外殼材料的導(dǎo)熱率、厚度和截面積以及加工工藝等有關(guān);外熱阻則與管殼封裝的形式有關(guān)。一般來(lái)說(shuō),管殼面積越大,則外熱阻越小。金屬管殼的外熱阻明顯低于塑封管殼的外熱阻。

當(dāng)功率器件的功率耗散達(dá)到一定程度時(shí),器件的結(jié)溫升高,系統(tǒng)的可靠性降低,為了提高可靠性,應(yīng)進(jìn)行功率器件的熱設(shè)計(jì)。

功率器件熱設(shè)計(jì)

功率器件熱設(shè)計(jì)主要是防止器件出現(xiàn)過(guò)熱或溫度交變引起的熱失效,可分為器件內(nèi)部芯片的熱設(shè)計(jì)、封裝的熱設(shè)計(jì)和管殼的熱設(shè)計(jì)以及功率器件實(shí)際使用中的熱設(shè)計(jì)。

對(duì)于一般的功率器件,只需要考慮器件內(nèi)部、封裝和管殼的熱設(shè)計(jì),而當(dāng)功耗較大時(shí),則需要安裝合適的散熱器,通過(guò)其有效散熱,保證器件結(jié)溫在安全結(jié)溫之內(nèi)正??煽康墓ぷ?。
  
散熱計(jì)算

最常用的散熱方法是將功率器件安裝在散熱器上,利用散熱器將熱量散到周圍空間,必要時(shí)再加上散熱風(fēng)扇,以一定的風(fēng)速加強(qiáng)散熱。在某些大型設(shè)備的功率器件上還采用流動(dòng)冷水冷卻板,它有更好的散熱效果。散熱計(jì)算就是在一定的工作條件下,通過(guò)計(jì)算來(lái)確定合適的散熱措施及散熱器。

熱量在傳遞過(guò)程中有一定熱阻。由器件管芯傳到器件底部的熱阻為Rjc,器件底部與散熱器之間的熱阻為Rcs,散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為Rsa,總的熱阻Rja=Rjc+Rcs+Rsa。若器件的最大功率損耗為Pd,并已知器件允許的結(jié)溫為Tj、環(huán)境溫度為Ta,可以按下式求出允許的總熱阻Rja。

Rja≤(Tj-Ta)/Pd
則計(jì)算最大允許的散熱器到環(huán)境溫度的熱阻Rsa為:
Rsa≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)

為設(shè)計(jì)考慮,一般設(shè)Tj為125℃。在較壞的環(huán)境溫度情況下,一般設(shè)Ta=40℃~60℃。Rjc的大小與管芯的尺寸和封裝結(jié)構(gòu)有關(guān),一般可以從器件的數(shù)據(jù)資料中找到。Rcs的大小與安裝技術(shù)及器件的封裝有關(guān)。如果器件采用導(dǎo)熱油脂或?qū)釅|后,再與散熱器安裝,其Rcs典型值為0.1℃/W~0.2℃/W。

若器件底面不絕緣,需要另外加云母片絕緣,則其Rcs可達(dá)1℃/W。Pd為實(shí)際的最大損耗功率,可根據(jù)不同器件的工作條件計(jì)算而得。這樣,Rsa可以計(jì)算出來(lái),根據(jù)計(jì)算的Rsa值可選合適的散熱器了。
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計(jì)算實(shí)例

一功率運(yùn)算放大器PA02作低頻功放,器件為8引腳TO-3金屬外殼封裝。器件工作條件如下:工作電壓Vs為18V,負(fù)載阻抗RL為4k,環(huán)境溫度設(shè)為40℃,采用自然冷卻。

查PA02器件資料可知:靜態(tài)電流Iq典型值為27mA,最大值為40mA;器件的Rjc(從管芯到外殼)典型值為2.4℃/W,最大值為2.6℃/W。

器件的功耗為Pd:
Pd=Pdq+Pdout

式中Pdq為器件內(nèi)部電路的功耗,Pdout為輸出功率的功耗。Pdq=Iq(Vs+|-Vs|),Pdout=Vs2/(4RL),代入上式

Pd=Iq(Vs+|-Vs|)+Vs2/(4RL)
=0.037×(18+18)+182/(4×4)
=21.6W

式中,靜態(tài)電流取37mA。
散熱器熱阻Rsa計(jì)算:Rsa≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)

為留有余量,Tj設(shè)為125℃,Ta設(shè)為40℃,Rjc取最大值(Rjc=2.6℃/W),Rcs取0.2℃/W(PA02直接安裝在散熱器上,中間有導(dǎo)熱油脂)。將上述數(shù)據(jù)代入公式得:

Rsa≤(125-40)/21.6-(2.6+0.2)≤1.135℃/W

HSO4在自然對(duì)流時(shí)熱阻為0.95℃/W,可滿足散熱要求。
  
散熱器的選取

散熱器一般是標(biāo)準(zhǔn)件,也可提供型材,由用戶根據(jù)要求切割成一定長(zhǎng)度而制成非標(biāo)準(zhǔn)的散熱器。散熱器的表面處理有電泳涂漆或黑色氧極化處理,其目的是提高散熱效率及絕緣性能。在自然冷卻下可提高10%~15%,在通風(fēng)冷卻下可提高3%,電泳涂漆可耐壓500V~800V。散熱器廠家對(duì)不同型號(hào)的散熱器給出熱阻值或給出有關(guān)曲線,并且給出在不同散熱條件下的不同熱阻值。

功率器件使用散熱器的目的是要控制功率器件的溫度,尤其是結(jié)溫Tj,使其低于功率器件正常工作的安全結(jié)溫,從而提高功率器件的可靠性。常規(guī)散熱器趨向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化,而新產(chǎn)品則向低熱阻、多功能、體積小、質(zhì)量輕、適用于自動(dòng)化生產(chǎn)與安裝等方向發(fā)展。合理地選用、設(shè)計(jì)散熱器,能有效降低功率器件的結(jié)溫,提高功率器件運(yùn)行的可靠性。

各種功率器件的內(nèi)熱阻不同,安裝散熱器時(shí)由于接觸面和安裝力矩的不同,會(huì)導(dǎo)致功率器件與散熱器之間的接觸熱阻不同。選擇散熱器的主要依據(jù)是散熱器熱阻Rtf。在不同的環(huán)境條件下,功率器件的散熱情況也不同。因此,選擇合適的散熱器還要考慮環(huán)境因素、散熱器與功率器件的匹配情況以及整個(gè)電子設(shè)備的體積、質(zhì)量等因素。

首先根據(jù)功率器件正常工作時(shí)的性能參數(shù)和環(huán)境參數(shù),計(jì)算功率器件結(jié)溫是否工作在安全結(jié)溫之內(nèi),判斷是否需要安裝散熱器,如需安裝則計(jì)算相應(yīng)的散熱器熱阻,初選一散熱器;安裝后重新計(jì)算功率器件結(jié)溫,判斷功率器件結(jié)溫是否在安全結(jié)溫范圍之內(nèi),從而判斷所選散熱器是否滿足要求;對(duì)于符合要求的散熱器,應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程的需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通過(guò)功率器件發(fā)熱原理的分析和散熱計(jì)算,可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)散熱方式和散熱器的選擇,保證了功率器件工作在安全的溫度范圍內(nèi),減少了質(zhì)量問(wèn)題,提高了電子產(chǎn)品的可靠性。電子設(shè)備的可靠性還同元器件、結(jié)構(gòu)、裝配、工藝、加工質(zhì)量等有關(guān),在實(shí)際工程應(yīng)用上,還應(yīng)通過(guò)各種試驗(yàn)取得反饋數(shù)據(jù)來(lái)完善設(shè)計(jì),進(jìn)一步提高電子設(shè)備的可靠性。
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