散热器的选择和设计

6.2散热器的选择和设计字体[大][中][小]6.2.1概述1.散热方法安装散热器的基本目的是把功率半导体器件中产生的热量传递出去。热量从一种介质传递到另一种介质中去的方法，可以是下述三种方法中的一种或几种。这三种方法为：(1)热传导热传导是指热量通过直接接触的物体从高温区传向低温区。它是功率半导体器件的结到壳和外壳到散热器散热的最有效方法。(2)热对流发热物体周围的热空气密度比其附近的冷空气密度低，因此，热空气和冷空气之间自然就会形成对流。利用流动的气体或液体流过导热体表面把热量带走的方法称为热对流。(3)热辐射由于导热体和邻近物体或空间存在温度差，所以导热体就会以辐射的形式向外发射热量。这种散热方法称为热辐射。根据黑体辐射原理，散热器的表面温度越高，表面越粗糙，表面发黑率越高，散热器辐射热量的能力就越强。因此，多数散热器都经氧化发黑处理，以增大其辐射散热的能力。功率半导体器件的散热器向周围环境的散热，主要是靠对流散热和辐射散热，但传导散热也起作用。2.散热器的材料制造散热器的材料用得最多的是铜和铝。虽然铜的导热能力比铝强，但它价格比铝贵，为此，制作散热器的理想材料是铝。在功率晶体管中，为了便于散热，通常都将其集电极和外壳管座焊在一起，如外壳为F2型的功率晶体管就属于这一类型。由于铜的导电性比铝好，加上铜比铝易于焊接，所以晶体管的金属外壳一般都用铜来制作。3.绝缘垫片当晶体管的外壳和散热器之间要求绝缘时，可用0.07～0.12mm厚的云母绝缘垫片或聚四氟乙烯绝缘垫片来将它们隔开。这样做当然会增大一些壳到散热器的热阻，但若在垫片的每边涂上一些硅脂，就能使其壳到散热器的热阻R(th)cs增加得小一些。氧化铍绝缘垫片的导热性虽然比云母片好，但是它的粉末以及烟雾都是有毒的，因此通常不用。4.安装散热器的注意事项在安装散热器时，为了能得到良好的散热效果，需注意以下几点：①要使散热器和器件外壳之间的接触面很平，并保持接触良好。接触面越大的散热器要做到这一点就越困难。为了提高散热效果，可在散热器和器件外壳相接触的接触面上均匀地涂上一层硅脂。②使用的紧固力矩要合适。力矩过小，会增大热阻;过大，又会使器件变形，产生应力。严重时，甚至会使芯片产生裂缝或引线折断。一般F1和F2型外壳的器件，其紧固力矩可在6～10kg·cm范围内选择。③散热板的凹、凸弯度与螺栓之间间隔应小于0.05mm。④散热器安装好后，不允许再对器件的外壳和散热片进行整形或机械加工，否则将增大热阻。⑤器件应装在尽量远离变压器、大瓦数电阻等发热源的地方。目的是避免热量传到器件的散热器上或使器件周围环境温度升高。⑥当使用叉指型散热器时，最好的排列方向是平放，即叉指向上安装。6.2.2散热器的选择散热器的种类很多，制造商还可以根据用户需要而特制。常用的散热器有以下四种：①模压散热器：制造时，将一个侧面压成特定的长度。②叉指型散热器：该散热器具有规律排列的散热叶片。③平板散热器：平板散热器通常就是一块金属平板。④型材散热器：散热器的散热表面越大，散热的能力越强。大功率的散热器常用各种型材制成，如铝、铜等，型材的截面做成多齿的梳子状。通常功率半导体器件的最大允许结温Tjmax、结到壳的热阻R(th)jc、耗散功率PD和最高工作环境温度是已知的。设计者的任务就是根据第6.1节所述的方法计算出所需的散热器到环境的热阻R(th)sa＝R(th)ja-R(th)jc-R(th)cs值，查散热器的产品目录或手册，从其中给出的散热器到环境热阻阻值的曲线(图6—7)上选用所需的散热器。图6—7散热系数与散热器工作温度值得注意的是，散热器的热阻阻值并不是恒定不变的，随着耗散功率PD的增加，散热器工作温升将增加，热阻阻值会减小。因此需要根据实际散热器工作温升对计算的热阻值进行修正。图6—8和图6—9分别为型材散热器和叉指型散热器的外形图以及散热器的允许最大温升△Tsa，允许最高热阻R(th)sa和耗散功率PD关系的特性曲线图。此特性曲线图中给出的散热器允许最大温升△Tsa和允许最高热阻R(th)sa的两组曲线实质上是一回事。这一关系可由式(6—6)得出。式(6—6)可表示为△Tsa＝Ts-Ta＝PDR(th)sa图6—8XC766型材散热器的外形图和特性曲线图由上式可见，当散热器的最大允许热阻R(th)sa一定，则最大允许温升△Tsa也就随之而定，故选择所需的散热器型号时，除可根据最大允许热阻R(th)sa进行选择外，也可根据散热器最大允许温升△Tsa来选。当然，选择所需的散热器时，除可用曲线的方法进行选用外，也可用查表的方法进行选用。表6—2、表6—3分别为国产型材散热器和国产叉指型散热器的型号和对应的热阻R(th)sa，从表6—2、表6—3可见，散热器到环境的热阻R(th)sa随加于散热器上的耗散功率PD值的增大而略有下降。这是因为当加于散热器上的耗散功率PD增大时，散热器上的温升△Tsa也就随之增大。散热器和环境之间的温差一大，散热器的辐射散热和对流散热的散热能力就增强，所以其热阻R(th)sa呈现略有下降之趋势。(1)表示散热器为平放(即叉指向上)测得的曲线(2)表示散热器侧放(即叉指向水平方向)测得的曲线图6—9叉指型散热器的外形图和特性曲线图表6—2型材散热器热阻表耗散功率(W)热阻(℃/W)型号2510203050长度(mm)XC7611411.31111351110101050XC7634.754.253.83.73.7604.13.73.33.253.2580XC765-13.753.252.752.52.56032.62.2522100XC765-22.6252.3752.32.3602.321.91.9802.3752.1251.8751.81.81001.8751.81.71.6251.625120XC765-32.82.251.91.81.756021.81.631.51.49801.8751.71.51.3751.371001.71.51.3751.251.25120XC766-17.76.76406.75.75605.754.3480XC766-24.643.63.43.2603.753.332.82.7603.53.22.82.652.6100XC766-33.53.12.752.66032.72.42.25802.752.42.2221002.52.21.91.81.75120XC7674.13.63.253.2603.63.12.752.7803.22.752.52.31002.92.52.32.2120XC768-121.771.551.481.45801.81.61.381.31.271001.61.451.21.151.1120XC768-21.31.091.020.981001.210.920.851201.150.950.880.81401.050.880.80.75160表6—3叉指型散热器热阻表耗散功率(W)热阻(℃/W)型号25102030安装方式SRZ10116.814.5117.815.52SRZ102108.47.5110.597.91SRZ1037.465.517.56.562SRZ1045.14.64.515.34.84.72SRZ1054.84.33.7154.542SRZ1063.73.4313.93.63.22SRZ20197.87.51108.57.72SRZ2025.54.74.515.754.72SRZ20332.82.513.232.72SR230197.719.582SR23028.98.219.58.72注：安装方式一栏中：“1”表示平放(即安装时叉指向上或向下)，“2”表示侧放(即叉指沿水平方向安装)。例6.7某单端正激型无工频变压器开关电源采用晶体管3DD257F作为功率晶体管。由晶体管手册查得，3DD257F型晶体管外形为F2型，壳温TC＝75℃时，PDM＝30W。使用时，功率晶体管外壳和散热器之间加有云母绝缘垫片，垫片两边涂有硅脂。环境最高温度Tamax＝35℃。应用时，功率晶体管实际耗散功率最大值为PD＝20W。要求给这只功率晶体管选用合适的散热器。表6—1接触热阻参考数据表散热器与管壳间的垫片材料垫片厚度(mm)半导体管管壳外形封装结构F2F1G2G1R(th)cs(℃/W)R(th)cs(℃/W)R(th)cs(℃/W)R(th)cs(℃/W)有硅脂无硅脂有硅脂无硅脂有硅脂无硅脂有硅脂无硅脂无垫片0.240.330.28～0.370.55～0.570.15～0.200.17～0.220.48～0.500.88～0.97铝箔0.020.28～0.30铜箔0.030.30～0.32铜箔0.040.29～0.33氧化铍瓷片4.000.30～0.310.65～0.68低温氧化铝0.500.25～0.290.69～0.76氧化铝瓷片1.000.37～0.380.76～0.82氧化铝瓷片1.880.50氧化铝瓷片2.160.50氮化硼瓷片0.600.52～0.560.58～0.61氮化硼瓷片0.900.46～0.520.82～0.90氮化硼瓷片1.000.91～1.080.5～0.61.060.13～0.150.380.75～0.770.86～0.90氮化硼瓷片1.200.43～0.450.77～0.850.83～1.000.97～0.99氮化硼瓷片1.500.46～0.491.00～1.160.78～0.801.05～1.600.50～0.510.60～0.621.02～1.081.13～1.21氮化硼瓷片1.800.44～0.460.82～0.890.47～0.480.95～0.97聚脂薄膜0.020.60～0.610.97～1.04云母0.120.400.80解：已知耗散功率PD＝20W，Tamax＝35℃，管壳外形为F2型，管壳和散热器之间加有云母绝缘垫片，垫片两边涂硅脂。查表6—1可得管壳到散热器的接触热阻R(th)cs为R(th)cs＝0.4℃/W功率晶体管结到壳的热阻R(th)jc手册上未给，故只能根据PDM的测试条件，按式(6—10)得由式(6—9)可求得功率晶体管结到环境的热阻R(th)ja为将上述数值代入式(6-4)可求得散热器到环境的热阻R(th)sa为R(th)sa＝R(th)ja-R(th)jc-R(th)cs＝3.27℃/W根据算出的热阻值查表6—2，选长度L=80mm的XC766-2型型材散热器，其热阻R(th)sa＝2.8℃/W3.27℃/W;或查表6—3选SRZ106型叉指型散热器，平放安装时，其热阻R(th)sa＝3℃/W3.27℃/W，都能满足设计要求。如手头一时无型材散热器、叉指型散热器而准备采用铝平板作为散热器时，可查图6—10铝平板散热器的热阻曲线图。从该图可得，当用厚3mm，面积为300cm2的铝平板作为散热器，水平放置时其热阻R(th)sa＝3℃/W3.27℃/W，该值也能满足要求。水平放置时，热阻大约比垂直放置时小10%。图6—10铝平板散热器的热阻曲线图字数：5876