文档介绍：风冷散热器的选配
功率半导体元件在工作时,自身必然要产生热损耗。但若发热量太大,且又来不及向周围媒质消散,元件就会因超过其正常工作的保证温度而失效。因此,选配合适的散热器,是元件可靠工作的重要
条件之一。
1. 概念
(1) 元件工作结温Tj:即元件允许的最高工作温度极限。本参数由制造厂提供,或产品标准强制给出要求。
(2) 元件的损耗功率P:元件在工作时自身产生的平均稳态功率消耗,定义为平均有效值输出电流与平均有效值电压降的乘积。
(3) 耗散功率Q:特定散热结构的散热能力。
(4) 热阻R:热量在媒质之间传递时,单位功耗所产生的温升。
R = ΔT / Q
2. 散热器的选配
设环境温度为Ta。散热器的配置目的,是必须保证它能将元件的热损耗有效地传导至周围环境,并使其热源_即结点的温度不超过Tj。用公式表示为
P < Q = ( Tj - Ta ) / R ①
(当然,热量的消散除对流传导外,还可辐射。在后面讨论)
而热阻又主要由三部分组成:
R = Rjc + Rcs + Rsa ②
Rjc:结点至管壳的热阻;
Rcs:管壳至散热器的热阻;
Rsa:散热器至空气的热阻。
其中,Rjc与元件的工艺水平和结构有很大关系,由制造商给出。
Rcs与管壳和散热器之间的填隙介质(通常为空气)、接触面的粗糙度、平面度以及安装的压力等密切相关。介质的导热性能越好,或者接触越紧密,则Rcs越小。
(参考值:我厂凸台元件的风冷安装,一般可考虑Rcs≈)
Rsa是散热器选择的重要参数。它与材质、材料的形状和表面积、体积、以及空气流速等参量有关。综合①和②,可得
Rsa <〔( Tj - Ta ) / P〕- Rjc - Rcs ③
上式③即散热器选配的基本原则。
一般散热器厂商应提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线,据此设计人员可计算出所需散热器的表面积、长度、重量,并进一步求得散热器的热阻值Rsa。
3. 注意事项
上面的理论分析是一个普适原则,在实际设计中应留出足够余量。因为提供数据的准确性、由元件到散热器的安装状况、散热器表面的空气对流状态、热量的非稳态分布等,都是非理想化的因素,应预考虑。另外,散热器表面向空气的热辐射,也是一种热耗散方式。在自冷设计中广泛应用的阳极氧化发黑和打毛处理工艺,即是增加热辐射的有效办法。但该办法明显不适用要求强迫风冷的以对流传导为主要方式的设计,因为散
热器表面越光亮则热阻越低,这是要特别提示设计人员的。
风冷散热器相关技术浅析之散热片篇
虽然风冷散热器中“风”起着至关重要的作用,但没有优秀的散热片作为基础,“风力”则无从发挥。可以说,散热片的结构设计、材料选择、制作工艺对风冷散热器的性能起着决定性的作用,也是判断风冷散热器性能时需要注意的第一要素。
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本篇,就介绍一下风冷散热器中这个最重要的组成部分——散热片。
作用:
散热片担负着将发热物体产生的热量散失到周围空气中的使命,是风冷散热器中的热量传导通道。其主要作用有三:
——吸收体积、面积较小的发热物体的热量,令其不致因热量堆积而温度急剧升高,导致各种不希望看到的后果;
——将吸收的热量在内部传导到散热片的各个部分,充分利用较大的热容量与表面积;
——通过表面的各种热交换途径(主要是热对流)将热量散失到空气之中(可配合风扇进行强制对流);
此三种主要作用互相配合,形成一套完整的散热途径。其中任何一种作用无法发挥,或未完全发挥,都可能导致散热性能的大幅降低,甚至完全丧失。因此,评价一款散热片的性能,也主要以这三种作用的发挥情况为准。
指标:
要表现一款风冷散热片(即需要配合空气导流设备才能发挥效果的散热片,与纯被动散热的空冷散热片存在一些区别,后文如不特别说明,简称为散热片)的性能,主要通过热阻、风阻两个数据,而关系到使用中的适应性与安全性,还需要注意它的尺寸规格与重量。
热阻:
热阻,英文名称为thermal resistance,即物体对热量传导的阻碍效果。
热阻的概念与电阻非常类似,单位也与之相仿——℃/W,即物体持续传热功率为1W时,导热路径两端的温差。以散热器而言,导热路径的两端分别是发热物体(如CPU等)与环境空气。
散热器热阻=(发热物体温度-环境温度)÷导热功率。
散热器的热阻显然是越低越好——相同的环境温度与导热功率下,热阻越低,发热物体的温度就越低! 必须注意:上述公式中为“导热功率”,而非“发热功率”!因为无法保证发热物体所产生的热量全部通过散热器一条路径传导、散失,任何与发热物体接触的低温物体(包括空气)都