10b、课件_散热设计_电气工程专业

散热设计1散热设计散热设计2散热设计计算机机箱内的热分布及风冷气流计算机机箱风冷时的热分布散热设计3传导—直接接触的物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递;对流—固体表面同流体间的主要传热方式,流体同固体表面接触温度升高,固体表面的热传给流体。辐射—无需借助任何媒介,是发热体直接向周围空间释放热量。散热器—通常是一块带有很多叶片的良导热体,在实际应用中,散热器通过和器件的紧密接触使器件的热量传导到散热器,它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加,同时流通的空气也带走大量的热量。热量传递方式散热设计4散热设计5散热器IGBTBSM400GD170DN2温控开关（850C）散热设计6风机散热设计7热阻：在热平衡条件下，两规定点温度差与产生这两点温度差的耗散功率之比。PdTjR自然大气空间TadajdPTTPTRoC/W热阻＝温度差/热源功率对于器件(1)选用耐热性和热稳定性好的元器件和材料，以提高其允许的工作温度。如选用耐热性能较好的硅三极管取代热性能较差的锗三极管、触点材料尽量以铂银取代铜。(2)减小电源内部的发热量。为此，应尽量选用小功率执行元件，如选用小功率变压器或者不用变压器，多选用微功耗器件并在电路设计中尽量减少发热元器件的数量。(3)用冷却的方法降低环境温度加快散热速度。对热阻的要求在5℃／W-0.2oC／W可用散热器自然风冷。在1℃／W一0.05℃／W时，可用强制风冷。在0.1oC／W一0.02oC／W时，可用水冷。当对热阻的要求低于0.02℃／W时，可考虑用热管。散热设计的要求散热设计9器件的热阻等效电路PdTjTCTaR(j-C)R(C-a)R(C-S)R(S-a)自然大气空间结到外壳（厂家给定）外壳到空气外壳到散热器散热器到空气（待设计）IGBT贴在散热器上散热设计10一般地，三极管的P(max)是在保持管壳温度Tc=25℃不变，Tj达到150℃条件下确定的功耗值，因此可用下式求出R(j-c)℃/W(max)jPTcTRPd自然大气空间TjTCTaR(j-C)R(C-a)R(C-S)R(S-a)三极管的热阻(j-c)散热设计11常见封装外壳的热阻元件要向大气散发热量，其热阻是Rc-a，To-220型热阻为60℃/W，PdTjTCTaR(j-C)R(C-a)R(C-S)R(S-a)散热设计12常见封装外壳的热阻(续)To-3P为40℃/W，PdTjTCTaR(j-C)R(C-a)R(C-S)R(S-a)散热设计13接触热阻()参考数据R(C-S)垫片材料垫片厚度接触热阻R(C-S)(oC/W)加硅油无硅油无垫片铝泊铜泊云母聚酯薄膜氧化铍瓷片氧化铝瓷片氮化硼瓷片0.020.030.120.024.02.161.50.240.40.60-0.610.30-0.310.50.46-0.490.330.28-0.300.30-0.320.80.97-1.040.65-0.681.00-1.16散热设计14散热器(HeatSink)热阻()估算公式R(S-a)CAkdCRaS650105.0)(式中,k为散热器热导率,d和A分别是HEATSINK的厚度和面积,分别以cm和cm2表示.C是修正因子.此式在空气温度不超过45oC时成立.铝2.08铜3.85黄铜1.1钢0.46云母0.006Al2O30.25(室温)氧化铍2.1材料热导率[W/(K.cm)]部分散热器材料的热导率k散热器的修正因子C的取值安装角度表面光洁表面黑化垂直0.850.43水平1.00.5散热设计15散热器的选择方法2.最大外壳温度)(maxmaxCjdjCRPTT3.散热器热阻计算(R(C-S)+R(S-a)=R(C-a))daCaCPTTRmax)(1.器件的损耗功率(Pd)开关损耗PS通态损耗PON断态损耗POFF驱动损耗PGATE散热设计16器件损耗功率(Pd)的一般计算通态功耗PONMOSFETforDRIPDUIPyDSDSONyonCON2断态损耗POFF在器件已被关断的期间,若断态电压US很高,微小的漏电流ICO仍有可能产生明显的断态功率损耗PCO,其计算公式为:POFF=ICOUS(1-Dy)式中,PCO—功率损耗，ICO—漏电流，US断态电压。一般情况下，断态损耗忽略。驱动损耗PGATE器件在开关过程中消耗在控制极上的功率以及在导通过程中维持一定的控制极电流所消耗的功率。一般情况下,驱动损耗也可以忽略。（GTO通态电流较大时例外）对感性负载SoffonMdSfttIUP)(2开关功耗PS散热设计17散热器的选择实例一DC/DC电源的功率晶体管,感性负载，工作电流20A,电压100V,开关频率fS为10kHz,占空比Dy为0.5,R(j-c)为0.5oC/W,通态管压降为1V,开和关的时间为1s和2s,环境温度25oC时,管的结温不超过155oC,直接安装在无硅油的散热器上,要求选配合适的散热器.(2)通态损耗PONyonCONDUIP=10W(3)断态损耗POFF忽略(4)驱动损耗PGATE忽略TOTALPd=PS+PON=40W(5)总损耗Pd(1)开关损耗PSSoffonMdSfttIUP)(2=30W1.器件功耗散热设计18散热器的选择实例(续)2.最大外壳温度)(maxmaxCjdjCRPTT=155-40X0.5=135oC3.散热器热阻计算(R(C-S)+R(S-a)=R(C-a))daCaCPTTRmax)(=75.24025135(oC/W)查表得R(C-S)为0.33oC/W,故R(S-a)=2.42oC/W散热设计19散热器的选择的注意点1.功率半导体器件的可靠性与结温成指数关系.一般而言,结温降额40-50oC,管的可靠性可提高一个数量级.2.特别关注散热器与器件管外壳之间的热阻计算处理,如所选用的材料(绝缘用),或涂抹硅油等.散热设计20散热器的散热类型1.自冷式散热器2.风冷式散热器3.水冷式散热器4.沸腾式散热器5.热管散热器对流换热系数（表征散热效率）为(6-13)X4.18X103J/h.m2.K常用于额定电流小于20A的器件或简单装置中的大电流器件.对流换热系数为(35-62)X4.18X103J/h.m2.K是自冷式散热器效率的2-4倍.常用于额定电流在50A-500A的器件中.对流换热系数为(2000)X4.18X103J/h.m2.K是自冷式散热器效率的150-300倍.常用于额定电流在500A以上的器件中.需解决好水质（可用去离子水）和凝露问题.利用流体蒸发吸热原理进行冷却的散热方式（液体气化要带走大量热，例如水的气化热为2600J/g），沸腾式散热器对流换热系数为(3000-7000)X4.18X103J/h.m2.K其等效导热率相当于同几何尺寸实心铜导热率的380倍.一种以水或其它传热媒质密封在特制铜管内的沸腾式散热器，它是一种新型高效的传热元件,因利用了沸腾吸热和凝结放热两种最强烈的传热机理,因而表现出优异的传热特性.其散热效率比同质量的铜散热器大2-3个数量级.散热设计21热管的原理热管(英文名：HeatPipe1963年美国LOSALAMOS国家实验室G.M.GROVER在《应用物理》杂志命名),是一种导热性能力特别强的导热管元件，传热效率比同样材质的纯铜高出数千倍。热管工作原理说明：热管管内的液体（水或丙酮等）受热汽化；汽化了的饱和蒸汽向冷端流动；饱和蒸汽在冷端冷凝放出热量；冷凝液体回到热端继续吸热汽化。