文档介绍：高等电力电子技术
Advanced Power Electronics
第9章电力电子器件的热设计
稳态热阻与瞬态热阻
耗散功率与结温
耗散器常用的冷却方式及特点
基本内容
正常情况下,电力电子器件的主要热源是半导体芯片内部。电能消耗产生的热量首先通过热传导转移到管壳和散热器上,然后经热传导、对流和热辐射等三种基本传导方式散发给空气、液体和固体等吸热介质。
在这三种基本传导散热方式中,热辐射散失的热量很少,通常只占总散失热量的极少部分。在利用空气散热的自然冷却和风冷却方式中,对流是热量通过管壳或散热器向空气散发的主要方式。当用水或其它液体介质散热时,散热器壁与散热介质之间的热传导则成为主要的散热方式。
稳态热阻与瞬态热阻
为了理解方便,人们常常用电学模拟的方法来描述热量的传输,将两点或区域间的温差类同于电压,单位时间通过散热面的热量类同于电流,两者的比值则被称作热阻。类似于电路的欧姆定律,热学中的欧姆定律可表示为:
(9-1) 式中为散热速率,单位是W,表示发热体单位时间内产生的热量,当温度稳定以后,此功率即等于器件功耗。
热阻的单位为℃/W,它是一个与散热材料、散热方式、散热面积、安装方式等相关的物理参数,是反映散热体散热性能的一个综合参数。
热阻可用下式表示:
(9-2)
式中A为散热体的散热面积,单位是m2;h是散热系数,表示在稳定传热条件下,1m厚的材料,温差为1°C,在1小时内,通过1平方米面积传递的热量,单位为W/(℃.m2)。
依据式(9-1),假设散热器的耗散功率为、环境温度为,则芯片到外界环境的总热阻可以表示为:
(9-4)
在实际情况中常常把总热阻分为三个部分:
第一部分是从管芯到管壳之间的结-壳热阻;
第二部分是从管壳到散热器之间接触热阻;
第三部分则是从散热器到环境之间的散热器热阻。
若考虑到从管壳到环境的直接热辐射作用,则总热阻可表示为式(9-6),相应的等效热网络如图9-2所示。
若忽略从管壳到环境的直接热辐射作用,总热阻可表示为式(9-5),相应的等效热网络如图9-1所示。
(9-5)
当时,式(9-6)可简化为: ,在实际情况中,这相当于未装散热器的小功率场合;
当时,即发热器件安装有散热片、管壳向外界环境直接辐射散热的作用可以忽略时,式(9-6)可简化为(9-5)。
以上分析仅考虑了散热体单面散热的情况,如器件在实际应用中采用双面散热,可用并联电路来模拟分析,将器件阴极热阻与阳极热阻分别作为并联的两个分路进行考虑。若忽略管壳到环境的热辐射,则双面散热等效热网络如图9-3所示:
在组成总热阻的三项中:
第一项结壳热阻是一个与器件所用材料几何形状及接触情况相关的参数,而且与器件制造工艺有关。结壳热阻还与器件应用条件有关,即与电流波形、导通角、工作频率等相关。
第二项接触热阻与接触面积、散热器材料、表面粗糙度、接触压力等因素相关。接触面积越小、金属材料越硬、表面粗糙度和不平度越差、接触压力越小, 接触热阻就越大。
第三项散热器热阻与散热器材质、结构尺寸、表面状况、功耗元件的安装位置以及冷却介质的性质及状态等多种因素有关。