大功率元件的散热

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1、大功率元件的散热大功率晶体管是指功率大于lw的晶体管，此时，完全靠管壳及引线不能把热量迅速散走，需要加专门的散热装置——散热器。对集成电路而言，当热流密度大于o．6w／cm2时，也需要用散热器，本节以晶体管为讨论对象，其方法和结构适用于集成电路。图5—22(a)是带散热器的晶体管模型。管壳往往就是晶体管的集电极，管壳安装在散热器上，为了使管壳与散热器电绝缘，以及提高晶体管与散热器的接触质量，常常在管壳与散热器之间垫一层对电绝缘，但导热性能好的电绝缘片。图5—22(b)是散热途径方框图，图中丁s为环境温度。晶体管的耗散

2、功率Pc使集电结产生结温76，集电结的热量向管完传递，受到阻力为入，称为内热阻，管壳的温度为7c，管壳分两路将热流散到环境尸路是直接向周围的环境传热，热阻为只I，称为外热阻，该热阻通常很大，因管壳的面积小，亿宾微电子其向环境的辐射和对流传热很困难；另一路是管壳的底部通过绝缘片传到散热器，散热器再向周围的环境传热。散热器的温度为7f，从管壳到散热器之间的热阻即为只2b，它由绝缘片的传导热阻和绝缘片上下两面的两个接触热阻组成。自散热器向环境的传热热阻为R4，是散热器本身具有的热阻。因散热器的选材和形状、面积、表面状态上都

3、做了合理的设计，所以散热热阻较小，往往六远小于只TP，即通过：管壳一垫片一散热器‘环境。这一路的散热比“管壳*环境”这一路的散热效率要高很多。这里的关键是要选择合适的散热器。图5—23为目前计算机中常用的散热器。2．7其他形式的散热方式1．强迫空气冷却(1)单个电子元器件的强迫空气冷却在整机及机柜中只有单个元件需要冷却时，例如雷达发射机中的大功率磁控管、行波管、调制管、阻尼二极管等需要集中风冷。为了提高冷却效率，可设计一个专用风道，把发热器件装入风道内冷却。(2)整机抽风冷却抽风冷却主要适用于热量比较分散的整机或机箱

4、。热量经专门的风道或直接排到产品周围的大气中。ATMEL代理商抽风的特点是风量大、风压小，各部分风量比较均匀。因此，整机的抽风冷却常用在机柜中各单元热量分布比较均匀，各元件所需冷却表面的风阻较小的情况。2．电子产品的液体冷却由于液体的导热系数及比热均比空气大，因而可以大大减小各有关换热环节的热阻，提高冷却效率。因此，液体冷却是一种比较好的冷却方法。其缺点是系统比较复杂，体积和重量比较大，产品费用高，维修也比较困难。(1)直接液体冷却所谓直接液体冷却，就是将冷却液体与发热的电子元器件直接接触进行热交换。热源将热量传给冷

5、却液体，再由冷却液体将热量传递出去。在这种情况下，冷却液体的对流和蒸发是热源散热的主要方式。图5—24为国产某型号的水冷系统。①无搅动的直接液体冷却电子元器件装在一个密封的机壳里，里面充满冷却液体。这种装置的传热途径是：发热元器件的热量通过液体的自然对流及导热传给液体，液体将吸收到的热量传给机壳，最后由机壳将热量散发到周围空气中去。它与风冷相比较，主要是降低了从元器件到周围介质的对流热阻，大约可降低一个数量级。设计这种产品时要注意下面问题：．所选用的冷却液，其电气性能应能满足机内元器件之间的电气绝缘要求，其教度尽量低

6、，以利于液体的自然对流；．机壳要解决密封问题，灌注冷却液体后，机壳内部耍留有受热膨胀的要求；．机壳要有足够的强度；．元器件的配置要有利于液体的自然对流；·定的间隙，以适应液体．产品的维修要方便，对一次性使用的产品，可不考虑这个问题。②有搅动的液体冷却产品加搅动的目的是为了加强冷却液体的对流换热，对强度大的液体更为适用。采用这种冷却方法时，必须考虑下列附加因素：电机的尺寸、转速、搅动杆的叶片数以及杆和叶片材料与液体的化学相容性等。同时要注意机壳的密封性并保证其强度，还要留有一定的热膨胀空间。③直接强迫液体冷却直接强迫液

7、体冷却系统包括低压泵、管路、热交换器和膨胀箱等。低压泵式冷却液在系统中循环；膨胀箱可作为液体受热膨胀的补偿及防止系统被蒸汽堵塞之用；热交换器将受热的液体冷却后由泵送回到储浓箱内。这种系统应注意元器件的排列，以达到最佳冷却效果。若泵压力较高，则应防止高压液流直接冲向脆弱的电子元器件。(2)间接液体冷却Atmel间接液体冷却主要利用的是导热模块。具有高组装密度的多芯片模块(MCM)的热量，用一般的冷却技术(如风冷)已无法满足要求，特别是对那些大型计算机的高性能做处理器更是如此。图5—25是IBM308l计算机中的檄处理器

8、的导热模块结构示意图，每个导热模块包含多层陶瓷基板、118个芯片、导热活塞、加载弹簧、模块罩、氮气和水冷却板等，冷却液与发热芯片不直接接触。实验证明，功耗为4w的芯片．当冷却水的入口温度为24℃时，芯片的表面温度达59℃。(3)冷却剂电子产品用的冷却剂其特性主要有以下几个方面。①冷却剂的物理特性包括导热系数、比热、密度、教度、膨胀系数、表面张力