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      2. 功率器件熱設計及散熱器的優化設計

        1 表征功率器件熱性能的主要參數

         

        功率器件應用時所受到的熱應力可能來自器件內部,也可能來自器件外部。器件工作時所耗散的功率要通過發熱形式耗散出去。若器件的散熱能力有限,則功率的耗散就會造成器件內部芯片有源區溫度上升及結溫升高,使得器件可靠性降低,無法安全正常工作。表征功率器件熱能力的參數主要有結溫和熱阻。

        一般將功率器件有源區稱為結,器件的有源區溫度稱為結溫。這些器件的有源區可以是結型器件(如晶體管)的pn結區、場效應器件的溝道區,也可以是集成電路的擴散電阻或薄膜電阻等。當結溫T j高于周圍環境溫度Ta時,熱量通過溫差形成擴散熱流,由芯片通過管殼向外散發,散發出的熱量隨著溫差(Tj-T a)的增大而增大。為了保證器件能夠長期正常工作,必須規定一個最高允許結溫 Tjmax。Tjmax的大小是根據器件的芯片材料、封裝材料和可靠性要求確定的。

        功率器件的散熱能力通常用熱阻表征,記為 RT。熱阻越大,則散熱能力越差。熱阻又分為內熱阻和外熱阻,內熱阻是器件自身固有的熱阻,與管芯、外殼材料的導熱率、厚度和截面積以及加工工藝等有關;外熱阻則與管殼封裝的形式有關。一般來說,管殼面積越大,則外熱阻越小,金屬管殼的外熱阻就明顯低于塑封管殼的外熱阻。

        當功率器件的功率耗散達到一定程度時,器件的結溫升高,系統的可靠性降低,為了提高可靠性,應進行功率器件的熱設計。

        2 功率器件熱設計

        功率器件熱設計是要防止器件出現過熱或溫度交變引起的熱失效,可分為器件內部芯片的熱設計、封裝的熱設計和管殼的熱設計以及功率器件實際使用中的熱設計。其主要關系如圖1所示。

        對于一般的功率器件,在生產工藝階段,就要充分考慮器件內部、封裝和管殼的熱設計,當功率器件功耗較大時,依靠器件本身的散熱(芯片、封裝及管殼的熱設計)并不能夠滿足散熱要求。功率器件結溫可能會超出安全結溫,此時需要安裝合適的散熱器,通過散熱器有效散熱,保證器件結溫在安全結溫之內且能長期正??煽康墓ぷ?。

        3 合理選取散熱器

        功率器件使用散熱器是要控制功率器件的溫度,尤其是結溫Tj,使其低于功率器件正常工作的安全結溫,從而提高功率器件的可靠性。功率器件散熱器隨著功率器件的發展,得到了飛速發展,常規散熱器趨向標準化、系列化、通用化,而新產品則向低熱阻、多功能、體積小、重量輕、適用于自動化生產與安裝等方向發展。合理地選用、設計散熱器,能有效降低功率器件的結溫,提高功率器件的可靠性。

        各種功率器件的內熱阻不同,安裝散熱器時由于接觸面和安裝力矩的不同,會導致功率器件與散熱器之間的接觸熱阻不同。選擇散熱器的主要依據是散熱器熱阻RTf。在不同的環境條件下,功率器件的散熱情況也不同。因此選擇合適散熱器還要考慮環境因素、散熱器與功率器件的匹配情況以及整個電子設備的大小、重量等因素。

        4 功率器件熱設計和散熱器優化設計

        4.1 設計方案

        功率器件熱設計和散熱器優化設計方案示于圖 2。首先根據功率器件正常工作時的性能參數和環境參數,如環境溫度、器件功耗和結溫等,計算功率器件結溫是否工作在安全結溫之內,判斷是否需要安裝散熱器進行散熱,如功率器件需安裝散熱器進行散熱,計算相應的散熱器熱阻,初選一散熱器;重新計算功率器件結溫,判斷功率器件結溫是否在安全結溫之內,所選散熱器是否滿足要求;對于符合要求的散熱器,應根據實際工程需要進行優化設計。

        4.2 實例應用

        通過設計包含不同封裝功率器件的實驗電路板,實現散熱器的初選和優化,驗證功率器件散熱器的優化設計方法是否滿足工程實用要求。

        設計的電路板原理圖如圖3所示。選用了兩種不同封裝的功率器件,一種是三端可調輸出集成穩壓器LM317和LM337,管殼封裝為TO-3;另一種是三端固定輸出集成穩壓器7812和7912,管殼封裝為TO-220,同時每個功率器件都配置了相應的散熱器,調節可調電阻R1和R 2,改變三端可調輸出穩壓器LM317、LM337兩端的輸出電壓,通過三端固定輸出穩壓器7812、7912,可以在負載R5 、R6兩端得到恒定的+12V和-12V的電壓。

        測量三端可調輸出穩壓器LM317, LM337的輸入、輸出電壓以及負載電阻R5 , R6兩端的電壓,計算各功率器件的功耗,測得當時環境溫度19.5℃,詳細試驗數據如表1所示。根據功耗以及功率器件的外殼封裝和大小初選了兩種散熱器:7812和7912 安裝SYX-YEC型型材散熱器;LM317和LM337則安裝SRX-YDT型型材散熱器。各功率器件與散熱器之間均墊有絕緣墊片,沒有涂敷硅脂。查閱相關手冊根據器件不同的封裝形式(本例中為TO- 3和TO-220封裝)選取合適的接觸熱阻值,詳細數值如表2所示

        本例中環境溫度為19.5℃、考慮輻射、器件工作在穩態及自然對流冷卻情況下,在散熱器優化設計軟件界面中,依照建模向導,按照散熱器的實際尺寸建立散熱器模型;然后在散熱器合適位置添加熱源,在熱源參數界面中輸入計算所得器件的功耗和接觸熱阻值;最后設定器件正常工作的全局條件,包括環境溫度、是否考慮輻射以及是瞬態還是穩態等來分別對四個功率器件的散熱器進行優化設計。根據工程經驗,功率器件殼溫一般比結溫低30 ℃左右,因此需要限定散熱器最高溫度不大于功率器件的殼溫。優化變量是工程優化時易于制造加工的肋片幾何變量,如肋片厚度、長度、高度等,同時還要考慮功率器件的大小和散熱器的加工成本,選定散熱器肋片寬度大于1mm,高度大于1mm,長度至少要大于功率器件的縱向長度(本例中,LM317和LM337要大于40mm;7812和7912要大于15mm),使功率器件既能正常工作,又能與散熱器達到最優匹配。表3是經過散熱器優化設計軟件分析,優化后與優化前的散熱器幾何尺寸和器件殼溫值對比結果。

        從表中數據可知,LM317和LM337安裝的散熱器優化后肋片長度減小不多,但高度明顯增加,由優化前9.2mm增加至優化后16.258mm,因此散熱面積也有所增加,由優化前0.012mm2增至優化后 0.015 mm2,降低了器件結溫,認為優化后散熱器滿足散熱要求。7812、7912安裝的散熱器優化后質量明顯減小,由優化前0.0235kg減輕至0.006kg,散熱器散熱面積減小很多,雖然引起器件結溫升高,但并未超過安全結溫,因此,可認為優化后散熱器既滿足散熱要求,又與器件達到了最優匹配。

        5 結論

        本文在分析表征功率器件熱性能參數的基礎上,論述了功率器件的熱設計,并從使用角度出發,提出了功率器件熱設計及散熱器優化設計方案。實驗結果表明,該方法合理,有效,為功率器件熱設計提供了新的思路。 (轉自 中電網)

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        更新時間:2010.02.26    查看次數:2317
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