Transcript 第九章器件的温度控制和散热

第九章 器件的温度控制和散热
9.1 半导体器件的温升控制
9.2 热量的传导
9.3 散热片
9.4 热量的辐射和对流
小结
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第九章器件的温度控制和散热
本章重点
 功率半导体器件热控制的机制，包括热量的产生，
辐射，及传送。
 充分理解半导体器件内部的热机制。
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第九章器件的温度控制和散热
9.1 半导体器件的温升控制
理论上半导体器件的最高温度极限就是它内部的
本征温度Ti，且半导体器件的轻掺杂区和重掺杂
的本质温度相同。如超过这个温度，则PN结的特
性将会消失，本来起屏障作用的耗尽区将会被本
征载流子代替。
半导体器件规格书上标明的最高温度实际上比它
的最高温度极限Ti小很多。通常情况下，半导体
器件随着它内部温度升高，能量损耗越大。
第九章器件的温度控制和散热
设计过程中，通常假设在最糟的结温下，器件
仍然能够正常工作。然而，检测系统的正常工
作必须精确。但晶闸管却是一个例外。
一些半导体器件装置，在温度稍微高于200℃时，
也能够工作，但可靠性低一些，且工作时间不
能太长。
一些特殊应用场合，需要器件工作在高温环境
下，此时必须采取大范围的热屏蔽措施。
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第九章器件的温度控制和散热
电力电子设备在高温环境下运行时，散热装置
是必须首先考虑的一个因素。它包括散热片的
尺寸，重量，安装位置以及环境温度。
散热装置如果设计得不好，将导致设备工作不
稳定。特别注意，当温度超过50℃时，以后每升
高10-15℃，半导体器件的可靠性就会成倍的降
低。
散热片是设计电力电子系统经常采用的散热方
式。
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第九章器件的温度控制和散热
9.2
热量的传导
9.2.1 热阻
热量的流动总是从温
度高的一端流向温度
低的一端。单位时间
流过的热能，用公式
表示如下：
Pcond 
d
b
P
T2
A
h
热量流动方向(Pcond)
T1
A  T
d
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Pcond 
A  T
d
T  T 2-T 1 :温度差
T2:材质较热一端的温度
T1:温度较低一端的温度
单位为℃
A:材质的横截面积,单位为m2,
d :长度，单位为米，
λ：热传导率，单位为瓦每米摄氏度。
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第九章器件的温度控制和散热
有一长方形的铝条，如图所示。图中
例1
h=b=1cm,d=20cm,单位时间内传到最左端的能量
是3W(此时该处的温度是T2,而最右端的表面温度
是T1=40℃.求T2。
d
b
解
P
T2
A
h
热量流动方向(Pcond)
T1
Pcond  d
3  0.2
T2 
 T1 
 40  67.3 (℃)
 hb
220  0.01 0.01
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一套晶体组件被封装在一长方形铝条
例2
中，参考下图，h=3cm,b=4cm,d=2mm,当热量从一
端传到另一端时，温度下降3℃，求解，该铝条能
传导的最大热功率P，忽略其它任何热损失。
d
b
解
P
T2
A
h
热量流动方向(Pcond)
p
 A(T 2  T 1)
d
T1
220  0.03  0.04  3

 396 (W)
0.002
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热阻Rq.cond定义如下：
T
Rq .cond 
Pcond
将 T  T 2-T 1 代入到上式，可得
d
Rq .cond 
A
热阻的单位为℃W-1
通常情况下，热量流过不同的材质，不同的材质
有不同的热传导率，且每种材质的面积和厚度不一
样。
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Tj
结
外壳
结
T
隔离层
散热片 Ta
P
外壳
Rq jc
隔离层
Rq cs
T
Rq
a
sa
j
多层结构材质,从热导体到外围的总热阻通过
Rθja  Rθjc  Rθcs  Rθsa
T
将 Rq .cond 
Pcond
求得
代入上式，并假设散热功率为Pd,
得最终的结温表达式：
T j  Pd ( Rqjc  Rqcs  Rqsa )  Ta
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热阻做的越小越好，这样意味着更短的热量传导
路径，更高的击穿电压，此外还要求散热面积越
大越好，这样就会尽量减少寄生电容。
大功率器件中，热传导率越大越好，一般封装材
料也用高传导率的，并且除了用到空气冷却外，
水冷却也经常采用。
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9.2.2 暂态热阻抗
假设单位体积的某种材质的热能Q随温度T的变化率
为Cv, 则：
单位体积的热容，单
dQ
 Cv
位JK-1（焦耳每开）
dT
一个长方形的相同材质的物体，横截面积为A, 热量
流过方向的长度为d ，则它的热容Cs为：
Cs  Cv  A  d
d
P
T2
A
b
h
热量流动方向(Pcond)
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T1
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结温暂态行为与热量散失时间变化有关，温度和热量
散失之间可建立平衡，其平衡过程如图所示。
log
Ti(t)
Ti(t)
P0
Rq
R
t
P(t)
tq
Ti(t＝tq)=0.833P0Rq
log(t)
P(t)
Ta
R0
Time
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假设用P(t)表示输入的功率，在一段很短的时间内，
两端的结温关系可用下式表示：
1
2
Tj (t )  P0  [4t /(  Rq  Cs)]  Ta
假设功率P0恒定，且时间t比该物体材质的热时间
常数tB短很多:
t B＝  RB  CS / 4
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❦当时间大于时间
常数tB时，Tj达到稳
态值P0Rq+Ta ，图中
的垂直轴Tj(t)/P0就
是暂态热阻抗Zq(t)
log
Ti(t)
P0
Rq
log(t)
tq
Ti(t＝tq)=0.833P0Rq
❦用一个阻容电路来类似地分析器件的暂态热效
应，只是近似，实际上真正的暂态热效应并不能
简单的用一个指数函数来描述。
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实际的装置中，热量流过很多层不同的物质。
P(t)
Tj
TCu
TC
Ta
Silicon
Copper
Tj Rq(S) Rq(Cu) Rq（散热片）
Cs(S) Cs(Cu) Cs(散热片)
P(t)
Heat sink
☞因每层的热时间
常数不一样，总的暂
态热阻抗Zq(t)就是每
层的总和
Ta
log
Ti(t)
P0
Rq(S). Rq(Cu). Rq（散热片）
Rq(S). Rq(Cu)
Rq(S)
log(t)
tq(S)
tq(Cu)
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tq（散热片）
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如果Zq(t) 和P(t)已知，可估算结温，其表达式为：
Tj (t )  P(t ) Zq (t )  Ta
如果发散的热功率是矩形的，从t=0 开始，到t=t2结
束时有：
Tj (t )  P0[ Zq (t )  Zq (t  t 2)]  Ta
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第九章器件的温度控制和散热
如热功率P(t)不是矩形，一般也用矩形来近似，如
图中的半正旋波的功率，可以用 P0来近似。
用矩形功率估算结温的表达式如下：
Tj (t )  P0[ Zq (t  T / 8)  Zq (t  3T / 8)]  Ta
等效矩形脉冲
P(t)
P0
P (t )  P 0  u (t )  P 0  u (t 
3T
);
8
阶跃函数
正弦半波函数
T
8
3T
8
T
2
t
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第九章器件的温度控制和散热
要增加器件的暂态热传导功率，就必须增加器件的热
时间常数RqCs ，
根据
d
Rq .cond 
A
可以得出：
和

4
Cs  Cv  A  d
Rq C s  CV 1d 2 / 4
半导体器件的封装材料的热容Cv一般相同，减少热
量流过的长度能有效减少热阻。
器件在暂态工程中的散热能力很重要。
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9.3 散热片
铝散热片
如散热片采用自然冷却，
则它的翼片之间的距离至
少10-15mm, 如再涂上黑
色的涂料，那么它的热阻
将下降25%左右。
Tj
结
外壳
隔离层
散热片 Ta
假如用风扇冷却，它的热阻Rq将会更低, 但会减
少它的热容Cs。
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第九章器件的温度控制和散热
铝散热片强迫冷却的热时间常数比自然冷却低很
多。在强迫散热方式下，铝散热片的翼片之间的距
离只要几毫米。
在大功率的装置中，还经常使用水或者油来提高
热传导。
根据不同装置、结
温，选择合适的散
热片
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功率器件的开关损耗可根据它的瞬态时间以及它的开
关时间的能量损耗估算。Ploss是通态损耗和平均开关
损耗的总和。
根据
Rθja  Rθjc  Rθcs  Rθsa
得热导体到外围的总热阻：
Rqja  (Tj . max  Ta. max ) / PLoss
Ploss：通态损耗和平均开关损耗的总和
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第九章器件的温度控制和散热
对于结温是125℃的晶体管TO-3来说，
例3
假设它的散热功率是26W，晶体管厂家给出的热
阻值是0.9℃W-1，并且使用了带散热油脂的75-µm
厚的云母隔离层，隔离层的总热阻是0.4℃W-1，环
境温度最高假设为55℃，求散热片和周围环境之间
的热阻需要多大。
解
125  55
Rθsa 
 (0.9  0.4)  1.39(CW -1 )
26
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9.4 热量的辐射和对流
9.4.1 根据热量辐射定义的热阻
波尔茨曼定律热量辐射转移功率表达式为：
Prad  5.7 10 E  A  (Ts  Ta )
-8
4
4
Prad：辐射功率，单位瓦特；
E： 物体表面辐射系数；
Ts： 物体表面温度；
Ta ：周围环境温度，单位均为开；
A： 散热片表面积（包括翼片的面积），单位m2 。
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黑色氧化铝散热片，式 Prad  5.7 10-8E  A  (Ts 4  Ta 4 )
可写成：
Ts 4
Ta 4
Prad  5.1A[(
) (
) ]
100
100
T
结合 Rq .cond 
和上式，
Pcond
T
可以得出： Rq .rad 
Ta 4 
 Ts 4
5.1A(
) (
) 
100 
 100
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如果Ts=120℃=393K，Ta=20℃=73K，
那么Rq,rad可以通过下式求出：
0.12
Rq ,rad 
A
例4
对于边长为10厘米的正方体黑色氧化铝，
假设Ts=120℃，Ta=20℃时，求Rq,rad。
解
Rq ,rad
0.12
1


2
(

CW
)
2
6  0.1
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9.4.2 根据热量对流定义的热阻
如果有一个垂直的表面，它的垂直高度dvert低于1米
（海拔高度），那么它和周围空气热量对流的功率
表达式如下：
1.25
(T )
Pconv  1.34A
0.25
(dvert)
Pconv:热量对流损失的功率，单位瓦特；
△T :物体表面和周围空气的温差，单位摄氏度或K；
A:垂直表面积（或物体总表面积），单位平方米；dvert:
物体垂直高度，单位米。
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第九章器件的温度控制和散热
T
结合 Rq .cond 
Pcond
(T )
Pconv  1.34A
(dvert)0.25
1.25
和
可得到按对流定义的热阻表达式：
Rq .conv
d vert 14
1

(
)
1.34 A T
假如dvert=10cm, △T=10cm ,
则
0.13
Rq .conv 
(C/W 1 )
A
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第九章器件的温度控制和散热
有一个很薄的长条状物体，它的表面温度
例5
是120℃，而周围空气温度是20℃，该物体由10cm高，
8cm宽，求它的对流热阻Rq,conv。
解
Rq .conv
1
0.1 14

(
)  2.2(C / W )
1.34  2  0.1 0.08 100
假如例4中的立方体的对流热阻与例5中的长条状物
体一样,那么由辐射热阻和对流热阻可以得到总的
热阻为：
Rq .rad .Rq .conv
Rqsa 
 1(C/W )
Rq .rad  Rq .conv
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9.4.3 散热片和周围环境之间的
热量计算问题
假设Ts=120℃，Ta=20℃。应用前面讨论过的原理计
算散热片和周围环境之间的热阻Rqsa。
0.009m
0.063m
0.075m
A1
0.063m
0.075m
0.092m A
2
0.115m
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0.12
为了估算总热阻的辐射成分,采用公式 Rq .rad 
A
计算Arad ,
Arad  (2)(0.115)(0.075)  (2)(0.063)(0.075)  0.0267(m 2 )
则：
Rq .rad
0.12

 4.5(C / W )
0.0267
散热片的翼片之间的距离大约是9mm, 公式
Rq .conv
d vert
1

(
)
1.34 A T
1
4
可以修改为下式：
d vert 14
1
Rq .conv 
(
)
1.34 Fred T
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上式中的Fred是散热
片翼片之间的冷却系
数，可从图中查到它
的值，散热片对流面
积可以近似的求得：
A  2 A2  16 A1
1.0 Fred
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
mm
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
散热片翼片之间的距离
 (2)(0.075)(0.092)  (16)(0.075)(0.063)  0.089(m )
2
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第九章器件的温度控制和散热
由图中可以查出，当翼
片之间的距离是9毫米
时，Fred＝0.78，应用
d vert 14
1
Rq .conv 
(
)
1.34 Fred T
可得
1.0 Fred
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
mm
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
散热片翼片之间的距离
1
1
0.075 4
Rq .conv 
(
)  18(C / W )
(1.34)(0.089)(0.78) 100
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第九章器件的温度控制和散热
考虑辐射热阻和对流热阻的综合作用，
应用公式
Rqsa
Rq .rad .Rq .conv

 1(C/W )
Rq .rad  Rq .conv
可以得到散热片和周围环境之间的总热阻：
(4.5)(1.8)
(℃/W)
Rq sa 
 1.3
(4.5  1.8)
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第九章器件的温度控制和散热
小
结
❶在装置正常工作时，功率半导体器件的结温不可
以超过厂家给出的最大值，如果超过这个值，装
置工作可靠性将大大降低。
❷热量是从电力电子器件内部一直传导到最外面的
散热片，在这一过程中，每一层的热阻不一样，
需要区别对待。
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第九章器件的温度控制和散热
❸不能仅依靠热阻来估算半导体器件的瞬时热量散
失（相对于热时间常数来说所经历的时间非常
短），估算值比实际值小，一般采用阻容电路近
似分析瞬时热量的大小。
❹热阻和热容的混合作用是热阻抗。
❺现在市面上已经有很多种散热片用于功率半导体
器件的温度控制，只要查厂家提供的手册，就可
以选择合适的散热片。
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第九章器件的温度控制和散热
❻热量从散热片传递到周围的环境，主要通过两种
方式：辐射和对流。
❼热量的辐射功率和器件表面与周围环境之间的温
度四次方之差成正比。
❽热量的对流功率和散热片的垂直高度以及器件的
表面与周围环境之间的温度差都有关。
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