风冷散热器的选配

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≈0.1Rjc)

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。