电力电子器件散热的基本原理

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1、电力电子器件散热的基本原理(1)——热传导中的“热阻”概念散热的基本原理　　一个工作中的电力电子器件由于种种原因本身要发热。如何驱散掉这些热呢?人们发明了“散热器”，实际上它是一种热交换器。把器件的发热面与散热器平面紧贴一起，热就从器件传到温度较低的散热器上，然后通过流动的空气、水或其他介质吸收散热器上的热并把它带走。此时，我们可以看到存在着一条热流通道，它是从热源——发热的器件芯片开始到带走热的介质为止。如果在这条热流通道中固体部分用的是高导热系数材料、流体部分又是热容高的材料，那么热就散的快，也就是热流遇到的阻力

2、小。这里提出了一个“热阻”概念。如用R表示：　　热阻：R=(Td-Ta)/P　　Td是发热点d点温度、Ta是周围流动介质a点温度、P是发热点的发热功率。在此，热流是由d点向a点流动，Td>Ta，此时R即为d点到a点热阻。　　在电力电子器件中，设芯片温度为：Tj、流动介质温度为Ta　　热阻：Rja=(Tj-Ta)/P　　当Ta为一定，发热功率P恒定时,热阻Rja越小，芯片温度Tj也越小。　　Rj-a由三部分热阻叠加。ⅰ，芯片到器件外壳，热阻为Rjc;ⅱ，由器件外壳到散热器，热阻为Rcs;ⅲ，散热器到周围介质，热阻为Rs

3、a　　Rja=Rjc+Rcs+Rsa　　第一项由器件制造者设计决定，第二项很小，装置设计者要考虑的就是第三项：Rsa　　为叙述方便，先从强迫空气冷却(风冷)说起。　　在风冷条件下Rsa由以下几个因素决定：　　ⅰ，散热器材质的热导率越大越好;　　ⅱ，散热器与空气接触面面积越大越好;　　ⅲ，风速大比小好;　　但要注意的是：风机吹出的风是流体，同样遵循流体运动原理。即前方阻力小风速就大，流量增大;前方阻力大，风速就小，流量减小，有如并联电路的欧姆定律。所以不能用减小散热片的间距多加翅片，来单纯达到加大散热器的表面积的效果。

4、因为间距一小，空气阻力增加，风在间隙处很难进去。此时，如在散热器周边没有阻挡物，大量的风就从周边通过。间隙内的风速很小，风量也不大，达不到冷却的目的。电力电子器件散热的基本原理(2)——风冷散热器选用基础电力电子器件散热的基本原理(1)中提出在风冷条件下决定Rsa的三个因素只是定性分析。实际使用中并不是“越大越好”，而是根据需要进行设计和合理选用，否则会脱离实际，成本也会因此上升或体积变得很大。为此，散热器的选择可按以下步骤进行：　　1，Tj，即器件芯片温度。每一种电力电子器件的国家质量标准都有明确规定。如晶闸管Tj

5、的允许最高温度为125℃，考虑到设计余量，按85%取，即107℃。流动介质的温度(环境温度)Ta通常取40℃。它们之间温差(又称芯片结温升):　　ΔTja=Tj-Ta=107℃-40℃=67℃　　2，Rjc由电力电子器件制造单位在该器件的技术参数表中给出，由它算出芯片与器件外壳的温差：ΔTjc=Tj-Tc=P×Rjc,一般小于15℃。　　3，Rcs常称器件与散热器的接触热阻。因器件与散热器固定的平面不平而引起，采取涂抹导热硅脂填平不平处后，此热阻值会大幅下降。两者之间的温差ΔTcs=Tc-Ts一般小于5℃。　　ΔTj

6、a=ΔTjc+ΔTcs+ΔTsa　　ΔTsa=(Ts-Ta)=ΔTja-(ΔTjc+ΔTcs)=67℃-(15℃+5℃)=47℃　　通过公式Rsa=(Ts-Ta)/P求得所需散热器的热阻值。也就是说，所选散热器的热阻等于或小于这个热阻值就行。　　每个散热器都有它的特性曲线。图二即是挤压铝型材散热器DXC-548的特性曲线。曲线图表示了散热器长度、风速与热组的关系。从图可看到：1，风速超过6米/秒，热阻R下降不明显，风速再大意义不大;2，长度增加一倍热阻R下降不到一倍，在某范围作用较大(如图中50mm到200mm)，到

7、一定长度后，再加长意义不大(如图中300mm到400mm)。况且加长后对风的阻力加大，要保持原有风速就要加大风机的风压。此时要选择更大的散热器(端面周边边长更长)才能达到所需的热阻值。　　如果上面公式计算得出要求用热阻R=0.1℃/瓦的散热器，那么从图中可见有两种选择，即曲线图中的M点和N点，就是200mm长，风速2.5米/秒或100mm长，风速5.5米/秒，一般设计时可在这范围内选择，比如150mm长，风速4米/秒以上，这样是比较经济的。　　特性曲线从哪来呢?有两种来源：散热器制造厂提供，他们有专门试验台实际测试画

8、出曲线如河北燕郊亚泰电子技术有限公司。也可用公式计算(见“电力电子“杂志2009年第六期“大功率半导体器件用散热器风冷热阻计算”)。必须说明，计算是科研、设计的一条腿，另一条腿科学试验是十分重要的。前者提供了一个选择范围的依据，后者可以对前者进行验证以便进行较为准确的修正。电力电子器件散热的基本原理(3)——风冷散热器的结构电力电子用风冷(或自