功率器件热设计及散热计算

引言
当前，电子设备的主要失效形式就是热失效。据统计，电子设备的失效有55％是温度超过规定值引起的，随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长。所以，功率器件热设计是电子设备结构设计中不可忽略的一个环节，直接决定了产品的成功与否，良好的热设计是保证设备运行稳定可靠的基础。

功率器件热性能的主要参数
功率器件受到的热应力可来自器件内部，也可来自器件外部。若器件的散热能力有限，则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，使得器件可靠性降低，无法安全工作。表征功率器件热能力的参数主要有结温和热阻。
器件的有源区可以是结型器件(如晶体管)的PN结区、场效应器件的沟道区，也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等。当结温Tj高于周围环境温度Ta时，热量通过温差形成扩散热流，由芯片通过管壳向外散发，散发出的热量随着温差(Tj-Ta)的增大而增大。为了保证器件能够长期正常工作，必须规定一个最高允许结温 Tj max。Tj max的大小是根据器件的芯片材料、封装材料和可靠性要求确定的。
功率器件的散热能力通常用热阻表征，记为Rt，热阻越大，则散热能力越差。热阻又分为内热阻和外热阻：内热阻是器件自身固有的热阻，与管芯、外壳材料的导热率、厚度和截面积以及加工工艺等有关；外热阻则与管壳封装的形式有关。一般来说，管壳面积越大，则外热阻越小。金属管壳的外热阻明显低于塑封管壳的外热阻。
当功率器件的功率耗散达到一定程度时，器件的结温升高，系统的可靠性降低，为了提高可靠性，应进行功率器件的热设计。

功率器件热设计
功率器件热设计主要是防止器件出现过热或温度交变引起的热失效，可分为器件内部芯片的热设计、封装的热设计和管壳的热设计以及功率器件实际使用中的热设计。
对于一般的功率器件，只需要考虑器件内部、封装和管壳的热设计，而当功耗较大时，则需要安装合适的散热器，通过其有效散热，保证器件结温在安全结温之内正常可靠的工作。
　　
散热计算
最常用的散热方法是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间，必要时再加上散热风扇，以一定的风速加强散热。在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板，它有更好的散热效果。散热计算就是在一定的工作条件下，通过计算来确定合适的散热措施及散热器。
热量在传递过程中有一定热阻。由器件管芯传到器件底部的热阻为Rjc，器件底部与散热器之间的热阻为Rcs，散热器将热量散到周围空间的热阻为Rsa，总的热阻Rja=Rjc+Rcs+Rsa。若器件的最大功率损耗为Pd，并已知器件允许的结温为Tj、环境温度为Ta，可以按下式求出允许的总热阻Rja。
Rja ≤(Tj-Ta)/Pd
则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻Rsa为：
Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)
为设计考虑，一般设Tj为125℃。在较坏的环境温度情况下，一般设Ta=40℃~60℃。Rjc的大小与管芯的尺寸和封装结构有关，一般可以从器件的数据资料中找到。Rcs的大小与安装技术及器件的封装有关。如果器件采用导热油脂或导热垫后，再与散热器安装，其Rcs典型值为0.1℃/W~0.2℃/W；若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘，则其Rcs可达1℃/W。Pd为实际的最大损耗功率，可根据不同器件的工作条件计算而得。这样，Rsa可以计算出来，根据计算的Rsa值可选合适的散热器了。
计算实例
一功率运算放大器PA02作低频功放，器件为8引脚TO-3金属外壳封装。器件工作条件如下：工作电压Vs为18V，负载阻抗RL为4剑?绷魈跫?鹿ぷ髌德士纱?kHz，环境温度设为40℃，采用自然冷却。
查PA02器件资料可知：静态电流Iq典型值为27mA，最大值为40mA；器件的Rjc(从管芯到外壳)典型值为2.4℃/W，最大值为2.6℃/W。
器件的功耗为Pd：
Pd=Pdq+Pdout
式中Pdq为器件内部电路的功耗，Pdout为输出功率的功耗。Pdq=Iq(Vs+|-Vs|)，Pdout＝Vs2/(4 RL)，代入上式
Pd＝Iq(Vs+|-Vs|)＋Vs2/(4 RL)
＝0.037×(18+18)＋182/(4×4)
=21.6 W
式中，静态电流取37mA。
散热器热阻Rsa计算：Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)
为留有余量，Tj设为125℃，Ta设为40℃，Rjc取最大值(Rjc=2.6℃/W)，Rcs取0.2℃/W(PA02直接安装在散热器上，中间有导热油脂)。将上述数据代入公式得：
Rsa≤(125-40)/21.6-(2.6+0.2)≤1.135℃/W
HSO4在自然对流时热阻为0.95℃/W，可满足散热要求。
　　
散热器的选取
散热器一般是标准件，也可提供型材，由用户根据要求切割成一定长度而制成非标准的散热器。散热器的表面处理有电泳涂漆或黑色氧极化处理，其目的是提高散热效率及绝缘性能。在自然冷却下可提高10%~15%，在通风冷却下可提高3%，电泳涂漆可耐压500V~800V。散热器厂家对不同型号的散热器给出热阻值或给出有关曲线，并且给出在不同散热条件下的不同热阻值。
功率器件使用散热器是要控制功率器件的温度，尤其是结温Tj，使其低于功率器件正常工作的安全结温，从而提高功率器件的可靠性。常规散热器趋向标准化、系列化、通用化，而新产品则向低热阻、多功能、体积小、质量轻、适用于自动化生产与安装等方向发展。合理地选用、设计散热器，能有效降低功率器件的结温，提高功率器件的可靠性。
各种功率器件的内热阻不同，安装散热器时由于接触面和安装力矩的不同，会导致功率器件与散热器之间的接触热阻不同。选择散热器的主要依据是散热器热阻Rtf。在不同的环境条件下，功率器件的散热情况也不同。因此，选择合适的散热器还要考虑环境因素、散热器与功率器件的匹配情况以及整个电子设备的体积、质量等因素。
首先根据功率器件正常工作时的性能参数和环境参数，计算功率器件结温是否工作在安全结温之内，判断是否需要安装散热器，如需安装则计算相应的散热器热阻，初选一散热器；重新计算功率器件结温，判断功率器件结温是否在安全结温范围之内，从而判断所选散热器是否满足要求；对于符合要求的散热器，应根据实际工程需要进行优化设计。

结语
通过功率器件发热原理的分析和散热计算，可以指导设计散热方式和散热器的选择，保证了功率器件工作在安全的温度范围内，减少了质量问题，提高了电子产品的可靠性。电子设备的可靠性还同元器件、结构、装配、工艺、加工质量等有关，在实际工程应用上，还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计，进一步提高电子设备的可靠性。■