大功率半导体器件用散热器风冷热阻计算公式和应用软件.doc

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1、大功率半导体器件用散热器风冷热阻计算公式和应用软件2012-03-1214:17:31  作者：  来源：中国电力电子产业网  　　文章概要如下：　　一、计算公式　　为了推导风冷散热器热阻计算公式作如下设定：　　1，散热器是由很多块金属平板组成，平板一端连在一起成一块有一定厚度的基板，平板之间存在间隙，散热器的基本单元是一块平板;　　2，平板本身具有一定的长度、宽度和厚度(L×l×b)。平板的横截面积A=L×b;　　3，由n个平板(齿片)组成的散热器如图一所示，平板(齿片)数为n;　　4，由此可见，参数L即为散热器长，或称“

2、截长”;　　5，设散热器端面周长为“S”。　　　　大功率半导体器件安装在基板上，工作时产生的热通过接触面传到散热器的过程属于固体导热。散热器平板周围是空气。风冷条件下平板上的热要传到空气中属于固体与流体间的传热。所以风冷散热器总热阻等于两部分热阻之和：　　Rzo(总热阻)=Rth(散热器内固体传热)+Rthk(散热器与空气间的传热热阻)　　引用E.R.G.埃克尔特和R.M..德雷克著的“传热与传质”中的基本原理和公式。推导出如下实用公式：　　　　Ks为散热器金属材料的导热系数。20℃时，纯铝：KS=175.6千卡/小时米℃;

3、　　纯铜：Ks=332千卡/小时米℃;参数L、l、b、S的单位：米;风速us单位：米/秒　　如散热器端面的周边长为S、散热器的长为L，忽略两端面的面积，散热器的总表面积为：A=SL。代入上式后，强迫风冷条件下散热器总热阻公式也可写成：　　　　对某一型号的散热器来说参数Ks、b、n、S都是常数。用此公式即可求出不同长度L、不同风速us条件下的总热阻，并可作出相应曲线。　　本公式的精确性受到多种因素的影响存在一定误差。主要有：　　ⅰ，受到环境空气的温度、湿度、气压等自然因素的影响。如散热器金属的热导系数“Ks”与金属成分及散热器

4、工作时温度有关，本文选用的是20℃时的纯铝。　　ⅱ，文中所用的“风速”是指“平均风速”。　　ⅲ，公式中描述散热器尺寸的b、n、S、L、l、五个参数不可能表达散热器外形的全部。这只是它的基本尺寸。　　计算值和实际测试结果相比其误差值约在10%以下，风速较低时误差较大。散热计算高压变频器在正常工作时，热量来源主要是隔离变压器、电抗器、功率单元、控制系统等，其中作为主电路电子开关的功率器件的散热、功率单元的散热设计及功率柜的散热与通风设计最为重要。对igbt或igct功率器件来说，其pn结不得超过125℃，封装外壳为85℃。有研究

5、表明，元器件温度波动超过±20℃，其失效率会增大8倍。2.1散热设计注意事项(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;(2)减小设备(器件)内部的发热量。为此，应多选用微功耗器件，如低耗损型igbt，并在电路设计中尽量减少发热元器件的数量，同时要优化器件的开关频率以减少发热量;(3)采用适当的散热方式与用适当的冷却方法，降低环境温度，加快散热速度。2.2排风量计算在最恶劣环境温度情况下，计算散热器最高温度达到需求时候的最小风速。根据风速按照冗余放大率来确定排风量。排风量的计算公式为：Qf=Q/(Cp

6、*ρ*△T)式中：Qf：强迫风冷系统所须提供的风量。Q：被冷却设备的总热功耗,W。Cp=1005J/(kg*℃)：空气比热，J/(kg*℃)。ρ=1.11(m3/kg)：空气密度，m2/kg。△T=10℃：进、出口处空气的温差，℃。根据风量和风压确定风机型号，使得风机工作在效率最高点处，即增加了风机寿命又提高了设备的通风效率。