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1 表征功率器件热机能的主要参数

 

功率器件应用时所遭到的热应力能够来自器件内部,也能够来自器件内部。器件事情时所耗散的功率要经由过程发烧情势耗散进来。若器件的散热才能有限,则功率的耗散就会形成器件内部芯片有源区温度上升及结温降低,使得器件可靠性低落,没法宁静一般事情。表征功率器件热才能的参数次要有结平和热阻。

普通将功率器件有源区称为结,器件的有源区温度称为结温。这些器件的有源区能够是结型器件(如晶体管)的pn结区、场效应器件的沟道区,也能够是集成电路的分散电阻或薄膜电阻等。当结温T j高于周围环境温度Ta时,热量经由过程温差构成分散热流,由芯片经由过程管壳向外披发,披发出的热量跟着温差(Tj-T a)的增大而增大。为了包管器件可以持久一般事情,必需划定一个最高许可结温 Tjmax。Tjmax的巨细是按照器件的芯片质料、封装质料和可靠性要求肯定的。

功率器件的散热才能凡是用热阻表征,记为 RT。热阻越大,则散热才能越差。热阻又分为内热阻和外热阻,内热阻是器件本身固有的热阻,与管芯、外壳质料的导热率、厚度和截面积以及加工工艺等有关;外热阻则与管壳封装的情势有关。一般来说,管壳面积越大,则外热阻越小,金属管壳的外热阻就较着低于塑封管壳的外热阻。

当功率器件的功率耗散到达一定程度时,器件的结温降低,体系的可靠性低落,为了进步可靠性,应停止功率器件的热设想。

2 功率器件热设想

功率器件热设想是要避免器件呈现过热或温度交变惹起的热生效,可分为器件内部芯片的热设想、封装的热设想和管壳的热设想以及功率器件实践利用中的热设想。其次要干系如图1所示。

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关于普通的功率器件,在生产工艺阶段,就要充实思索器件内部、封装和管壳的热设想,当功率器件功耗较大时,依托器件自己的散热(芯片、封装及管壳的热设想)其实不可以满意散热要求。功率器件结温可能会超越宁静结温,此时需求安装适宜的散热器,经由过程散热器有用散热,包管器件结温在宁静结温以内且能持久一般牢靠的事情。

3 公道拔取散热器

功率器件利用散热器是要掌握功率器件的温度,尤其是结温Tj,使其低于功率器件一般事情的宁静结温,从而进步功率器件的可靠性。功率器件散热器跟着功率器件的开展,得到了飞速开展,通例散热器趋势标准化、系列化、通用化,而新产品则向低热阻、多功能、体积小、重量轻、适用于自动化消费与安装等标的目的开展。公道地选用、设想散热器,能有用低落功率器件的结温,进步功率器件的可靠性。

各类功率器件的内热阻差别,安装散热器时因为接触面和安装力矩的差别,会招致功率器件与散热器之间的打仗热阻差别。挑选散热器的主要依据是散热器热阻RTf。在差别的情况条件下,功率器件的散热状况也不同。因而挑选适宜散热器还要思索情况身分、散热器与功率器件的婚配状况以及全部电子设备的巨细、重量等身分。

4 功率器件热设想和散热器优化设想

4.1 设计方案

功率器件热设想和散热器优化设计方案示于图 2。起首按照功率器件一般事情时的性能参数和环境参数,如环境温度、器件功耗和结温等,计较功率器件结温能否事情在宁静结温以内,判定能否需求安装散热器停止散热,如功率器件需安装散热器停止散热,计较响应的散热器热阻,初选一散热器;从头计较功率器件结温,判定功率器件结温能否在宁静结温以内,所选散热器能否满意要求;关于契合要求的散热器,应按照实践工程需求停止优化设想。

4.2 实例使用

经由过程设想包罗差别封装功率器件的尝试电路板,实现散热器的初选和优化,考证功率器件散热器的优化设想办法能否满意工程适用要求。

设想的电路板原理图如图3所示。选用了两种差别封装的功率器件,一种是三端可调输出集成稳压器LM317和LM337,管壳封装为TO-3;另一种是三端牢固输出集成稳压器7812和7912,管壳封装为TO-220,同时每一个功率器件都设置了响应的散热器,调理可调电阻R1和R 2,改动三端可调输出稳压器LM317、LM337两头的输出电压,经由过程三端牢固输出稳压器7812、7912,能够在负载R5 、R6两头获得恒定的+12V和-12V的电压。

丈量三端可调输出稳压器LM317, LM337的输入、输出电压以及负载电阻R5 , R6两头的电压,计较各功率器件的功耗,测得其时环境温度19.5℃,具体实验数据如表1所示。按照功耗以及功率器件的外壳封装和巨细初选了两种散热器:7812和7912 安装SYX-YEC型型材散热器;LM317和LM337则安装SRX-YDT型型材散热器。各功率器件与散热器之间均垫有绝缘垫片,没有涂敷硅脂。查阅相干手册按照器件差别的封装情势(本例中为TO- 3和TO-220封装)拔取适宜的打仗热阻值,具体数值如表2所示

本例中环境温度为19.5℃、思索辐射、器件事情在稳态及天然对流冷却状况下,在散热器优化设想软件界面中,按照建模导游,根据散热器的实践尺寸成立散热器模子;然后在散热器适宜位置增加热源,在热源参数界面中输入计算所得器件的功耗和打仗热阻值;最初设定器件一般事情的全局前提,包罗环境温度、能否思索辐射以及是瞬态仍是稳态等来别离对四个功率器件的散热器停止优化设想。按照工程经历,功率器件壳温普通比结温低30 ℃阁下,因而需求限制散热器最高温度不大于功率器件的壳温。优化变量是工程优化时易于制造加工的肋片多少变量,如肋片厚度、长度、高度等,同时还要思索功率器件的巨细和散热器的加工本钱,选定散热器肋片宽度大于1mm,高度大于1mm,长度最少要大于功率器件的纵向长度(本例中,LM317和LM337要大于40mm;7812和7912要大于15mm),使功率器件既能一般事情,又能与散热器到达最优婚配。表3是颠末散热器优化设想软件阐发,优化后与优化前的散热器多少尺寸和器件壳温值比照成果。

从表中数据可知,LM317和LM337安装的散热器优化后肋片长度减小不多,但高度较着增长,由优化前9.2mm增长至优化后16.258mm,因而散热面积也有所增长,由优化前0.012mm2增至优化后 0.015 mm2,低落了器件结温,以为优化后散热器满意散热要求。7812、7912安装的散热器优化后质量较着减小,由优化前0.0235kg减轻至0.006kg,散热器散热面积减小许多,固然惹起器件结温降低,但并未超越宁静结温,因而,可以为优化后散热器既满意散热要求,又与器件到达了最优婚配。

5 结论

本文在阐发表征功率器件热性能参数的基础上,阐述了功率器件的热设想,并从利用角度动身,提出了功率器件热设想及散热器优化设计方案。尝试成果表白,该办法公道,有用,为功率器件热设想供给了新的思绪。 (转自 中电网)

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更新工夫:2010.02.26    检察次数:1379