第九章 器件的温升与散热

第九章 器件的温升与散热,9.1 半导体器件的温升控制,9.2 热量的传导,9.3 散热片,小结,9.4 热量的辐射和对流,第九章 器件的温升与散热,9.1 半导体器件的温升控制,理论上半导体器件的最高温度极限是它内部的本征温度Ti，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，PN结的特性将会消失，本来起屏障作用的耗尽区将会被本征载流子代替。通常情况下，半导体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200时，它的能量损耗非常大。,下 页,返回,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,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。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125工作温度下的精确性。晶闸管的最高结温低于125。当晶闸管的结温达到125时，如果此时施加在晶闸管上的正向电压变化率(du/dt)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。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,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。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。电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。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,当温度超过50时，以后每升高1015，半导体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。,传导扩散辐射扩散对流扩散,自然冷却方式风扇冷却(强迫风冷)液体冷却方式,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,9.2 热量的传导,9.2.1 热阻,热量由左向右进行传导。热量总是从温度高的一端流向温度低的一端流动。,热功率,单位时间内通过某一横截面的热能。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,DT: 导热材质两端的温度差， DT =T2-T1 T2: 材质较热一端的温度，单位均为 T1: 温度较低一端的温度，单位均为 A: 材质的横截面积,单位为m2d : 长度，单位为米：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，计算公式为：,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,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的热功率Pcond为3W。已知铝条最右端的表面温度T1=40。试求铝条始端的温度T2等于多少？,解,根据式,得:,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,一套晶体组件被封装在如图所示的长方体铝条中，已知h=3cm,b=4cm,d=2mm,当热量从一端传到另一端时，温度下降了3，若忽略其它任何热损失，试求该铝条能传导的最大热功率Pcond等于多少？,解,根据式,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,热阻Rcond为：,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/W。,将 代入到上式，,得:,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,热阻,电路中的电阻,热传导功率,电路中的电流,温度,电路中的电位,温差,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传导中的有关变量，使热传导计算变得简单。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,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：,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,结温用Tj表示、散热片的温度用Ta表示，总散热功率用Pcond表示,根据式 的热传导欧姆定律，则结温Tj可表示为：,只要给出了导热材质的物理参数和热传导率，就可根据式 求出对应的热阻，再根据等效导热电路模型，得到多层传导结构的热分布计算公式，求得导热环节不同部位的温度。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,尽量减小导热材质的热阻，相当于缩短了热传导路径，从而有效降低热传导路径的温差。传热材质的散热面积越大越好，可加速热传导效率、减少或降低导热材质的寄生热容。在大功率变流设备的散热材质设计中，散热材质的热传导率越大越好，可减小了传热路径的热阻。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,硅材料制成的电力电子器件采用双层散热结构。小功率或标准功率器件只须单层结构。大功率器件散热设计中，封装材料采用热传导率较高的导热材质，如采用自然冷却方式仍达不到要求，则须采用强迫风冷、水冷，甚至液氮冷却方式。所采取的散热方式，应能保证半导体材料的结热阻Rjc小于1/W。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,9.2.2 暂态热阻抗,变流设备出现负荷的大幅变化，使变流设备的传输功率急剧增加，从而导致变流设备中功率半导体器件自身的损耗成正比地增加。这些突增的损耗，须通过功率半导体器件的散热渠道迅速扩散出去。温升超过一定数值时，会损坏半导体器件，急速增加的损耗相当于散热功率的急剧增加，散热环节中的散热材质必须能承受这种暂态热冲击。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,功率半导体器件的暂态热阻抗表征了半导体材料对温度迅猛上升的反应能力。在热传导过程中，由于瞬态耗散功率的增加，导致导热材质在短时间内不能迅速将热传导出去，从而造成导热材质自身的温度增加。导热材质的温升多少则取决于材质本身的热容量。,暂态热阻抗,暂态热冲击所呈现的热阻抗。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,热容,导热材质的热存储能力 。,“热容”用符号Cs表示：,A: 材质的横截面积,单位为m2d : 长度，单位为米Cv：导热材质单位体积内的热容量，（单位体积的热能Q随温度T的变化率），单位为J/K(焦耳/开)。Cv可表示为：,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,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。,热时间常数为：,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,如果时间t比导热材质的热时间常数tB小，结温随时间的变化关系为：,式中，P0为恒定的热输入功率。当时间t远大于热时间常数tq 时，可近似认为Tj达到了它的最终稳态值P0Rq +Ta。,导热材质在暂态过程中呈现出的暂态热阻抗Zq(t)。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,实际的装置中，热量流过很多层不同的物质。,总的暂态热阻抗Zq(t)是每层暂态热阻抗之和，不同的导热材质有对应的暂态热阻抗曲线。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,如已给定暂态热阻抗Zq(t)的特性，并且已知随时间变化的传导热功率P(t)，就可以估算出半导体器件的结温：,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0tt2，则结温的估算根据以下表达式计算：,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,热阻抗曲线图主要是用来估算热阻抗，并根据式 Tj(t)=P0Zq(t)-Zq(t-t2)+Ta 得到半导体的结温。如果热输入功率P(t)曲线图不是矩形脉冲形式，一般也可采用矩形脉冲来近似。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,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P0作为矩形脉冲的幅值来近似，对应的脉冲宽度为T/4。结温估算表达式为：,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,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pRq Cs/4 ，但这种方式行不通。,要增加热时间常数，就应增加Cv的值。为了降低热阻，通常应增加热传导率。热传导路径的长度d尽量短，以减小热阻Rq。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,在实际情况下，一般应优先保证选择较小的热阻Rq，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过载能力。 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，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。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,如散热片采用自然冷却，则它的翼片之间的距离至少10-15mm, 如再涂上黑色的涂料，那么它的热阻将下降25%左右。,假如用风扇冷却，它的热阻Rq将会更低, 但会减少它的热容Cs。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,9.3 散热片,尽量减少器件本身与外壳之间的热阻Rqjc，有利于热功的散失。在器件外壳与外壳周围之间提供一条良好的散热途径。,如散热片采用自然冷却，则它的翼片之间的距离至少10-15mm, 如再涂上黑色的涂料，那么它的热阻将下降25%左右。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,铝散热片自然冷却的热时间常数大约是415min。如采用风扇冷却，其热阻Rq将会更低，如做的更小更轻些， 将降低它的热容Cs。,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tq的典型值通常远远不到1min。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,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。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。设计时，须考虑最高结温Tj.max，最高环境温度Ta.max，最高工作电压以及最大工作电流。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Ploss是通态损耗和平均开关损耗的总和。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,从结到外壳的热阻Rqjc一般可从功率半导体器件的说明书中查到；外壳到散热片的热阻Rqcs则根据隔离层热介质的不同而不同。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,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。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。,计算从散热片到外围的热阻Rqsa。再根据散热片厂家给出的说明书，选择合适的散热片。,若已知Rqjc和Rqcs，根据下两式,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,对于结温是125的晶体管TO-3来说，假设它的散热功率是26W，晶体管厂家给出的热阻值Rqjc是0.9/W，并且使用了带散热油脂的75m厚的云母隔离层，隔离层的总热阻是0.4/W，环境温度最高假设为55，求散热片和周围环境之间的热阻需要多大。,解,可选用热阻为1.3/W的散热片，这种散热片能让结温保持在122.6，比125低一点。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,9.4 热量的辐射和对流,9.4.1 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：,Prad：辐射功率，单位瓦特；E： 物体表面辐射系数；Ts： 物体表面温度；Ta ：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m2 。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,黑色氧化铝散热片，式可写成：,根据上式和,可以得出：,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,如果Ts=120=393K，Ta=20=73K那么Rq,rad可以通过下式求出：,对于边长为10厘米的正方体黑色氧化铝，假设Ts=120，Ta=20时，求Rq,rad。,解,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,9.4.2 热的对流及其热阻,如果有一个垂直的表面，它的垂直高度dvert低于1米（海拔高度），那么它和周围空气热量对流的功率表达式如下：,Pconv:热量对流损失的功率，单位瓦特；T :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；dvert:物体垂直高度，单位米。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,假如dvert=10cm， T=100， 则：,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,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20，该物体由10cm高，8cm宽，求它的对流热阻Rq,conv。,解,假如例4中的立方体的对流热阻与例5中的长条状物体一样,那么由辐射热阻和对流热阻可以得到总的热阻为：,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,9.4.3 散热片和周围环境之间的热量计算,假设Ts=120，Ta=20。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Rqsa。,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,为了估算总热阻的辐射成分,采用公式Rq.rad=0.12/A计算Arad ,由此可得：,散热片的翼片之间的距离约9mm,可修改式,可得：,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升与散热,Fred是散热片翼片之间的冷却系数，可从图中查到它的值，散热片对流面积可以近似的求得：,下 页,上 页,返 回,第九章 器件的温升