器件的温升与散热.pptx
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1、第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热 9.1 半导体器件的温升控制半导体器件的温升控制 9.2 热量的传导热量的传导 9.3 散热片散热片 小结小结 9.4 热量的辐射和对流热量的辐射和对流 首首 页页第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热9.1 半导体器件的温升控制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是它内部的理论上半导体器件的最高温度极限是它内部的本征温度本征温度Ti,半导体器件的轻掺杂区和重掺杂区,半导体器件的轻掺杂区和重掺杂区的本征温度相同。如果超过这个温度,的本征
2、温度相同。如果超过这个温度,PN结的特结的特性将会消失,本来起屏障作用的耗尽区将会被本性将会消失,本来起屏障作用的耗尽区将会被本征载流子代替。征载流子代替。&通常情况下,半导体器件随着它内部温度的升通常情况下,半导体器件随着它内部温度的升高,能量损耗加大,当内部温度达到高,能量损耗加大,当内部温度达到200时,它时,它的能量损耗非常大。的能量损耗非常大。下 页返回下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热&当一个由半导体器件所形成的系统在当一个由半导体器件所形成的系统在2040的的温度下运行时,则该系统的工作稳定性最好。温温度下
3、运行时,则该系统的工作稳定性最好。温度测量系统在正常的工作温度范围内必须很精确,度测量系统在正常的工作温度范围内必须很精确,必须保证在必须保证在125工作温度下的精确性。工作温度下的精确性。&晶闸管的最高结温低于晶闸管的最高结温低于125。当晶闸管的结温。当晶闸管的结温达到达到125时,如果此时施加在晶闸管上的正向电时,如果此时施加在晶闸管上的正向电压变化率压变化率(du/dt)正好为它的最大允许值,则晶闸正好为它的最大允许值,则晶闸管可能会产生误导通或者关断。管可能会产生误导通或者关断。下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散
4、热&如果器件是按高温条件进行设计,热屏蔽须对如果器件是按高温条件进行设计,热屏蔽须对换流器的每一个元件都有屏蔽作用。换流器的每一个元件都有屏蔽作用。&在某些特殊应用场合,要求器件能在高温环境在某些特殊应用场合,要求器件能在高温环境下工作,此时必须采取大范围的热屏蔽措施。下工作,此时必须采取大范围的热屏蔽措施。&电力电子设备在高温环境下运行时,散热装置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等,必要时可寸,重量,安装位置以及环境温度等,必要时可以考虑安装风扇来提高散热效果。以考虑安装
5、风扇来提高散热效果。下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热&当温度超过当温度超过50时,以后每升高时,以后每升高1015,半导体,半导体器件的可靠性就会成倍的降低。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。散热片是设计电力电子系统经常采用的散热方式。传导扩散传导扩散辐射扩散辐射扩散对流扩散对流扩散自然冷却方式自然冷却方式风扇冷却风扇冷却(强迫风冷强迫风冷)液体冷却方式液体冷却方式散热片冷却方式散热片冷却方式热量扩散形式热量扩散形式下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件
6、的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热9.2 热量的传导热量的传导9.2.1 9.2.1 热阻热阻热阻热阻 热量由左向右进行传热量由左向右进行传导。热量总是从温度导。热量总是从温度高的一端流向温度低高的一端流向温度低的一端流动。的一端流动。l热功率热功率 单位时间内通过某一横截面单位时间内通过某一横截面的热能。的热能。AT1dbhPT2热量流动方向热量流动方向(P Pcondcond)下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热D DT:导热材质两端的温度差,导热材质两端的温度差,D DT=T2-T1 T2:材质较热一端的温
7、度材质较热一端的温度,单位均为,单位均为 T1:温度较低一端的温度温度较低一端的温度,单位均为,单位均为 A:材质的横截面积材质的横截面积,单位为单位为m2d:长度,单位为米长度,单位为米:热传导率,单位为瓦每米摄氏度:热传导率,单位为瓦每米摄氏度热量的传导与导热媒质的物理特性有关,计算公式热量的传导与导热媒质的物理特性有关,计算公式为:为:下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热 有一长方体的铝条,如图所示。图中有一长方体的铝条,如图所示。图中h=b=1cm,d=20cm,单位时间内输送到铝条最左端,单位时间内输送到铝条最左
8、端的热功率的热功率Pcond为为3W。已知铝条最右端的表面温度。已知铝条最右端的表面温度T1=40。试求铝条始端的温度。试求铝条始端的温度T2等于多少?等于多少?解解例例根据式根据式得得:AT1dbhPT2热量流动方向热量流动方向(P Pcondcond)下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热例例 一套晶体组件被封装在如图所示的长方体一套晶体组件被封装在如图所示的长方体铝条中,已知铝条中,已知h=3cm,b=4cm,d=2mm,当热量从一端当热量从一端传到另一端时,温度下降了传到另一端时,温度下降了3,若忽略其它任何,若忽略
9、其它任何热损失,试求该铝条能传导的最大热功率热损失,试求该铝条能传导的最大热功率Pcond等于等于多少?多少?解解根据式根据式(W)得得:AT1dbhPT2热量流动方向热量流动方向(P Pcondcond)下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热热阻热阻Rcond为:为:热阻与导热材质的热传导率和物理尺寸有关,它热阻与导热材质的热传导率和物理尺寸有关,它反映了导热材质的导热能力,单位为反映了导热材质的导热能力,单位为/W。将将 代入到上式,代入到上式,得得:AT1dbhPT2热量流动方向热量流动方向(P Pcondcond)下
10、 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热等效等效热阻热阻电路中的电阻电路中的电阻等效等效热传导功率热传导功率电路中的电流电路中的电流等效等效温度温度电路中的电位电路中的电位等效等效温差温差电路中的电压电路中的电压根据热阻概念,利用电路中的相关计算公式计算热传根据热阻概念,利用电路中的相关计算公式计算热传导中的有关变量,使热传导计算变得简单。导中的有关变量,使热传导计算变得简单。下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热Rq q jc结结Ta隔离层隔离层外壳外壳Tj
11、Rq q saRq q csP将多层导热结构用热传导等效电路的热阻串联形式表将多层导热结构用热传导等效电路的热阻串联形式表示,则从热导体本身的结到散热片的总热阻为:示,则从热导体本身的结到散热片的总热阻为:Tj结结散热片散热片隔离层隔离层外壳外壳Ta下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热结温用结温用Tj表示、散热片的温度用表示、散热片的温度用Ta表示,总散热功率表示,总散热功率用用Pcond表示表示,根据式根据式 的热传导欧姆定律,的热传导欧姆定律,则结温则结温Tj可表示为:可表示为:只要给出了导热材质的物理参数和热传导率,
12、就可根只要给出了导热材质的物理参数和热传导率,就可根据式据式 求出对应的热阻,再根据等效导求出对应的热阻,再根据等效导热电路模型,得到多层传导结构的热分布计算公式,热电路模型,得到多层传导结构的热分布计算公式,求得导热环节不同部位的温度。求得导热环节不同部位的温度。下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热尽量减小导热材质的热阻,相当于缩短了热传导路尽量减小导热材质的热阻,相当于缩短了热传导路径,从而有效降低热传导路径的温差。径,从而有效降低热传导路径的温差。传热材质的散热面积越大越好,可加速热传导效率、传热材质的散热面积越大越
13、好,可加速热传导效率、减少或降低导热材质的寄生热容。减少或降低导热材质的寄生热容。在大功率变流设备的散热材质设计中,散热材质的在大功率变流设备的散热材质设计中,散热材质的热传导率越大越好,可减小了传热路径的热阻。热传导率越大越好,可减小了传热路径的热阻。下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热硅材料制成的电力电子器件采用双层散热结构。硅材料制成的电力电子器件采用双层散热结构。小功率或标准功率器件只须单层结构。小功率或标准功率器件只须单层结构。大功率器件散热设计中,封装材料采用热传导率较大功率器件散热设计中,封装材料采用热传导率
14、较高的导热材质,如采用自然冷却方式仍达不到要求,高的导热材质,如采用自然冷却方式仍达不到要求,则须采用强迫风冷、水冷,甚至液氮冷却方式。则须采用强迫风冷、水冷,甚至液氮冷却方式。所采取的散热方式,应能保证半导体材料的结热阻所采取的散热方式,应能保证半导体材料的结热阻Rjc小于小于1/W。下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热9.2.2 9.2.2 暂态热阻抗暂态热阻抗暂态热阻抗暂态热阻抗 变流设备出现负荷的大幅变化,使变流设备的传变流设备出现负荷的大幅变化,使变流设备的传输功率急剧增加,从而导致变流设备中功率半导输功率急剧增
15、加,从而导致变流设备中功率半导体器件自身的损耗成正比地增加。这些突增的损体器件自身的损耗成正比地增加。这些突增的损耗,须通过功率半导体器件的散热渠道迅速扩散耗,须通过功率半导体器件的散热渠道迅速扩散出去。出去。温升超过一定数值时,会损坏半导体器件,急速温升超过一定数值时,会损坏半导体器件,急速增加的损耗相当于散热功率的急剧增加,散热环增加的损耗相当于散热功率的急剧增加,散热环节中的散热材质必须能承受这种暂态热冲击。节中的散热材质必须能承受这种暂态热冲击。下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热功率半导体器件的暂态热阻抗表征了半
16、导体材料对功率半导体器件的暂态热阻抗表征了半导体材料对温度迅猛上升的反应能力。温度迅猛上升的反应能力。在热传导过程中,由于瞬态耗散功率的增加,导致在热传导过程中,由于瞬态耗散功率的增加,导致导热材质在短时间内不能迅速将热传导出去,从而导热材质在短时间内不能迅速将热传导出去,从而造成导热材质自身的温度增加。导热材质的温升多造成导热材质自身的温度增加。导热材质的温升多少则取决于材质本身的热容量。少则取决于材质本身的热容量。l暂态热阻抗暂态热阻抗暂态热冲击所呈暂态热冲击所呈现的热阻抗。现的热阻抗。下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与
17、散热l热容热容 导热材质的热存储能力导热材质的热存储能力。“热容热容”用符号用符号Cs表示:表示:A:材质的横截面积材质的横截面积,单位为单位为m2d:长度,单位为米长度,单位为米Cv:导热材质单位体积内的热容量,(单位体积的:导热材质单位体积内的热容量,(单位体积的热能热能Q随温度随温度T的变化率),单位为的变化率),单位为J/K(焦耳焦耳/开开)。Cv可表示为:可表示为:下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热热量的散失是时间的函数。经过一段时间后,结温热量的散失是时间的函数。经过一段时间后,结温与热量散失之间建立起一个平
18、衡。与热量散失之间建立起一个平衡。R0Pcond(t)tRq qPcond(t)Ti(t)Ta热时间常数为:热时间常数为:t tq qlog(t)Rq qTi(tt tq q)=0.833P0Rq q下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热如果时间如果时间t比导热材质的热时间常数比导热材质的热时间常数tB小,结温随时间小,结温随时间的变化关系为:的变化关系为:式中,式中,P0为恒定的热输入功率。当时间为恒定的热输入功率。当时间t远大于热时间远大于热时间常数常数t tq q 时,可近似认为时,可近似认为Tj达到了它的最终稳态值达
19、到了它的最终稳态值P0Rq q+Ta。t tq qlog(t)Rq qTi(tt tq q)=0.833P0Rq q导热材质在暂态过导热材质在暂态过程中呈现出的暂态程中呈现出的暂态热阻抗热阻抗Zq q(t)。下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热实际的装置中,热量流过很多层不同的物质。实际的装置中,热量流过很多层不同的物质。TaTCTjTCuP(t)热沉积热沉积铜铜硅硅P(t)Rq q(S)TaCs(Cu)TjRq q(Cu)Rq q(散热片)散热片)Cs(S)Cs(散热片散热片)Rq q(S).Rq q(Cu).Rq q(
20、散热片)散热片)Rq q(S).Rq q(Cu)Rq q(S)log(t)t tq q(S)t tq q(Cu)t tq q(散热片)散热片)Tj结结散热片散热片隔离层隔离层外壳外壳Ta总的暂态热阻抗总的暂态热阻抗Zq q(t)是每层暂态热阻抗之是每层暂态热阻抗之和,不同的导热材质和,不同的导热材质有对应的暂态热阻抗有对应的暂态热阻抗曲线。曲线。下 页上 页返 回第九章第九章第九章第九章 器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热器件的温升与散热如已给定暂态热阻抗如已给定暂态热阻抗Zq(t)的特性,并且已知随时间的特性,并且已知随时间变化的传导热功率变化的传导热功率P(t),就可以估算出
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