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大功率器件的散热设计

大功率器件的散热设计

随着电子技术的不断发展,大功率器件的发热功耗越来越大、热流密度不断增加。产品散热设计对产品的可靠性有着至关重要的影响。要对大功率器件进行良好的散热设计,首先要了解功率器件的热性能指标,然后通过选择合适的散热方式,正确的风道设计以及对散热器进行必要的优化分析,最后规范、正确的安装散热器使器件达到最佳的散热效果。 

1、 器件的热性能参数 
器件厂家会提供器件的焊接温度、封装形式、工作温度范围、器件结点温度限制、内部热阻等信息,这是参数是进行散热设计的基础和前提。下面对一些常用热参数逐一说明: 

TDP—器件热耗散功耗,单位W(瓦),表示器件实际发热量的大小 
Tc--器件壳体温度,单位℃ 
Tj--结点温度,单位℃。随着结点温度的提高,半导体器件性能将会下降。结点温度超过最大限制,器件寿命极度下降甚至烧毁。这是进行热设计关注的焦点。 
Ta--环境温度,单位℃ 
Rja--结点到环境的热阻,单位℃/W 
Rjc--结点到器件壳的热阻,单位℃/W 

归根到底,热设计主要任务是要满足: Tj< Tj(max)并留有适当的余量(通常要保证有10%以上余量)。

Tj(max)=P* Rjc+ Tc(max)
Tc(max)即器件表面的最高温度,很显然散热设计越成功,Tc(max)就会越低。 

2、 散热方式的选择 

系统散热方式的选择应充分考虑系统的发热功耗,温度/体积/重量要求,防护等级,散热装置的可操作性,价格等诸多因素,最终选择最适合自己产品的、有效的散热方式。 散热主要分为:自然散热、强迫风冷。液体冷却等。目前普遍采用的散热方式仍然是风冷。下表反映了不同散热方式状况下热流密度与温升的关系。

自然散热:通过空气的自然对流将热量带到周围空间。这种散热方式可以用在发热功率不大,重量,温度等要求不高的场合。优点:结构简单、无噪音、价格低廉。 
强迫风冷:对于发热功耗大的器件,选用强迫风冷是很必要的,尤其配合一些高效能的散热器可以达到理想的散热效果。因为强迫风冷换热效率高,一般是自然散热方式的数倍。优点:散热效率高,产品重量可被大幅度降低。 

3、 风机选型以及风道设计 

如果系统采用强迫风冷的散热方式,选择合适的散热风机直接决定了系统散热状况。要进行风机选型,首先需要确定系统所需要的散热风量,通过下面的公式计算: 



其中∆T表示了系统进/出风口的温度差。 
风机的选型要结合系统风量需求、系统阻力、风扇特性曲线等要求进行综合评估确认。 

强迫风冷系统风道的实际很关键,风道一般分为送风和抽风两种方式,这两种方式的优缺点分别是: 
送风方式: 
A、风扇出口附近气流主要为紊流流动,局部换热强烈,宜用于发热器件比较集中的情况,此时必须将风扇的主要出风口对准集中的发热元件 
B、吹风时将在设备内形成正压,可以防止缝隙中的灰尘进入设备 
C、风扇将不会受到系统散热量的影响,工作在在较低的空气温度下,风扇寿命较长 

抽风方式: 
A、送风均匀,适用于发热器件分布比较均匀,风道比较复杂的情况 
B、进入风扇的流动主要为层流状态 
C、风扇将在出风口高温气流下工作,寿命会受影响 
D、系统内形成负压,缝隙中的灰尘将进入机柜/箱 

4、 散热器优化 
大功率器件散热器优化主要是对散热器基板厚度、齿片厚度,间距,高度,表面处理方式等参数进行优化设计。随着计算机仿真技术的不断进步,我们可以依托电子热仿真分析软件对散热器进行优化,优化的结果准确、直观。 



5、 正确的安装

 

正确合理的安装可以保障散热产品良好的发挥其作用,提升产品整体可靠性。我们知道:在散热产品安装过程中主要是要保证器件与散热器有着良好、充分的表面接触----使器件与散热器之间的接触热阻尽可能低。

影响接触热阻的主要因素有以下几方面原因 
1、 接触面平面度 
2、 散热产品与热源接触压力 
3、 热界面材料的选用和涂抹 
正确涂抹界面材料建议使用专用治具,可以参考下面的图片,从而保证热界面材料均匀,通常厚度需要控制在0.12—0.18mm之间。

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