功率薄膜电阻器元件的内部散热器的使用事项

传递功率电阻产生的热能

本文介绍了功率电阻传热的实际问题，并介绍了薄膜电阻器部件的具体几何形状，与其他技术相比，如绕线电阻器。当电流施加到功率薄膜电阻器（本文中称为“功率电阻器”）时，电阻器元件产生的热量必须消散，以使电阻器元件的温度不超过其规定的最大工作温度。现代薄膜功率电阻器通常被结合到各种标准“TO”封装中，其具有尺寸小并且在标准印刷电路板布局中方便安装的优点。然而，这些标准封装的小尺寸将不支持这些器件的额定功率，而没有额外的帮助将热量从电阻器元件传递出去。这种帮助通常来自将封装连接到更大的热“散热器”，该散热器与TO封装下侧的金属底板或凸缘接触。散热器的目的是从小电阻器元件吸收热量（从而将元件的温度保持在其最大工作温度以下），然后通过传导和对流在散热器的更大区域上散热。

简单的金属散热器

简单实用的散热器是铝或钢板，如图1所示。当电阻器直接连接到散热器时，产生的热量由电阻导通金属板，然后通过对流进入空气。金属板的冷却能力在一定程度上取决于金属板是否由于自然对流空气冷却而垂直或水平定向。通过在称为“强制空气冷却”的过程中迫使空气通过散热器可以获得进一步的传热改善。

散热器的传热特性通过实验确定，铝的传热值和钢板是众所周知的。金属板散热器在空气中的冷却能力通常表示为金属板散热器的“热阻”（见下一节），以°C/W表示，如图2所示。图3显示了热阻包含鳍片的更高效散热器。

图1：自然空气冷却中的热源和金属板。

图2：铝的典型耐热性（测量值）。

图3：耐热性带翅片的铝制立方体的空气。

热阻，Rθ

热阻是衡量热传递阻力的指标。在实践中，通过测量散热器两端的温差并除以以瓦为单位的热输入来实验确定热阻。使用实验确定的设备热阻，可以根据通过的热量（以瓦特为单位）轻松计算出入口和出口之间的温差。

在图2中，横轴图中示出了铝板的面积，而纵轴表示当热源安装在板的中心时天然空气冷却铝板的热阻。热阻使计算变得容易。将电阻器放置在0.1mm厚的铝板的中心，其面积为10,000mm 2 ，环境温度为50℃。对电阻器施加10W的功率。从图2中，板的热阻约为7℃。因此，中心部分的温度与环境温度之间的差值将是10 W x 7°C/W = 70°C，如果空气温度是50°C，则中心部分的温度将是50° C + 70°C = 120°C。

功率电阻的内部热阻

上一节介绍了散热片传热的过程，并代表了固有的性能。散热器。

以同样的方式，功率电阻器的结构使得电阻器本身在内部产生热量，因此电阻器本身具有特定的热阻。图4显示了功率电阻的横截面。

图4：发热和热传导。

Riedon部件电阻器类型额定功率电阻器热阻PF1262 TO126 20 W 5.9°C/W PF2202 TO220 20 W 5.9°C/W PF2203 TO220 35 W 3.3°C/W PF2205 TO220 50 W 2.3°C/W PF2472 TO247 100 W 1.3°C/W PF2272 SOT227 200 W 0.35°C/W

表1：热量如表1所示，功率电阻的内部热阻使外部尺寸小，额定功率低的电阻具有较大的热阻值，而大尺寸和高电阻的电阻则具有较大的热阻值。额定功率值小。参照图4所示的结构，不是外部尺寸，而是内部电阻膜的面积，氧化铝基板的面积和确定热阻的凸缘面积。换句话说，额定功率由电阻膜，氧化铝基板和法兰的面积决定。

图4中所示的导热油脂不是用于电阻法兰的电绝缘，而是用于填充电阻器之间的轻微不规则性法兰表面和散热器表面实现更好的热传导。导热油脂通常用于此目的。对于表面经过精心加工的散热片，导热油脂层的热阻约为每平方英寸0.005°C/W，就冷却能力而言，这通常可以忽略不计。

对于法兰和散热器之间的导热材料，如表2所示，请注意材料的厚度与导热性一样重要。导热油脂仅约50微米厚，而热凝胶和粘合剂厚约数百微米。较大的厚度增加了材料的热阻并减少了冷却。此外，在功率电阻器中，不需要在背板和散热器之间提供绝缘，因为它们已经是电绝缘的。

导热系数（W/m×K）建议直接接触良好状态---是导热油脂3.2-8.0是热凝胶6.5否导热胶3.8否

表2：法兰和散热器之间的典型材料建议

使用热阻确定TO-247的最大功率水平的示例

从图2所示的曲线图中，板厚2 mm，展开面积40,000 mm 2 的铝板的空气热阻Rθ约为2.2 °C/W。额定功率为100 W的TO247电阻的热阻为1.3°C/W，法兰接触热阻约为0.1°C/W.功率电阻器电阻膜工作温度范围的上限为155°C。

图5：每个部分的温度从电阻器流向空气。

因此，如果确定了散热器的热阻和环境温度，则可以确定可以施加到电阻器而不超过其最大工作温度的最大功率。在图5的情况下，当环境温度为50°C时，最大允许功率P =（155°C - 50°C）/3.6 = 29 W.请注意，如果电阻法兰安装在散热器上保持在25°C，例如通过强制通风或液体冷却，可施加的最大功率也是设备的额定功率=（155°C - 25°C）/1.3 = 100 W.一般来说，最大值产品规格中引用的功率水平假设背板（以及接触区域的散热片）保持在25°C。

图6表示上面的热阻计算，包括功率降额曲线。这是一个计算值。对于实际器件，降低电阻器随机故障率的重要实际因素是：（1）精确测量温度分布;（2）将负载降低约50％，使电阻器工作在较低温度。

图6：从电阻到空气的热流的每个部分的温度。

安装功率电阻器

数字图7，图8，图9，图10，图11，图12和图13示出了考虑到热释放的安装示例，以及粗略的热阻值。

图7：35μm单面铜箔纸的环境空气热阻，100 mm方形角度的苯酚PCB垂直实施，16.5°C/W.

图8：PCB的热阻，23.5°C/W（30 mm x 30 mm），20°C/W（50 mm x 50 mm），16.5°C/W（100 mm x 100 mm）。

图9：1 mm厚铝板散热片的热阻，面积100 mm X 50 mm，7°C /W.

图10：没有任何散热器的TO220电阻的热阻。

图11：功率电阻（底盘安装）的典型安装。

图12：典型安装功率电阻器（板支架带支座到机箱）。

图13a，13b和13c：安装功率电阻器的例子。