机电工程中功率器件的散热研究

机电工程中功率器件的散热研究

高星

（辽宁省高速公路路政管理局铁岭路政管理处辽宁112616）

摘要：机电工程中电子设备在工作过程中，随着温度达到或超过规定的温度值时，就会引起或增大电子设备的失效率，也就是过热失效。过热失效的原因主要来自电子设备中功率器件的过热。因此，做好电子设备中功率器件的散热设计是提高电子设备质量与可靠性的关键环节。因此本文主要就机电工程中功率器件的散热进行分析研究，以供参考。

关键词：机电工程；功率器件；散热

前言

伴随着现代高科技工业技术的不断发展和进步，电子电气类产品集成度不断地提高，产品的功能结构设计的也越来越紧凑，但是任何的器件在工作时都存在一定的损耗，而且其中大部分的损耗是变成热量消耗掉，甚至这部分热能还为设备的使用寿命埋下隐患。部分功率器件由于功率小或散热速度足以抵消热量产生，故不需要散热装置。而其他大功率的器件若不采取合适的散热措施，则可能致使器件的温度超过允许的结温，使得器件遭受损坏。

一、机电工程中功率器件的散热器散热的计算

相关人员将功率器件安装在合适的散热器上，而热量在传递过程中，往往形成一定热阻，散热器安装上后却能使产生的热阻大大减小。而热量总是向着热阻最小的方向流动，所以功率器件上的热量基本是通过散热器上散发出去的。只有很少的热量从器件其他方向散发出去。故设定由器件管芯到底部的热阻为RJC，器件底部与散热器接触的热阻为RCS，散热器散热的热阻为RSA，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，忽略其他热阻[2]，则总热阻为：

RJA=RJC+RCS+RSA≤（TJ-TA）/PD

则允许最大散热器散热的热阻RSA为：

RSA≤（TJ-TA）/PD-（RJC+RCS）

其中RCS的大小常常和安装技术以及大功率器件的封装方式有关，器件与散热器间涂了导热油脂的RCS典型值为0.10.2℃/W。PD可根据不同器件的工作条件计算而得。如此将RSA最大值计算出来，再通过查散热器的产品手册，找出合适的散热器即可具体计算数值还是要根据实际情况来定。

二、功率器件的热设计具体考虑因素

2.1散热计算

功率器件工作时其壳体温度超过100℃，就会导致故障率大增。因此，功率器件底板温度应低于100℃，就必须采用散热器对功率器件进行散热。如果散热器不能满足时，还可采用液体冷却、蒸发冷却、强迫风冷等散热方式，使功率器件得以正常运行。

另外，为了提高功率器件的稳定性和功率器件本身的寿命，就必须降低功率器件的管芯温度，使其能够正常运行。所以，在使用功率器件时，就要设计好功率器件的散热问题。在功率器件上安装散热器，通过散热器把功率器件上的热量传递散发到周围空间，并经散热风扇加速散热。如果是大型设备上的功率器件，还可采用流动冷水冷却板，可达到更好的散热效果。

2.2器件的性能参数和环境参数

设计时要充分考虑到功率器件在正常工作时的环境温度、器件功耗和结温等。准确计算出功率器件在工作时的安全结温，超过安全结温的，必须安装散热器进行散热，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。

2.3器件的散热性能

设计时要充分考虑到芯片、封装及管壳的散热能力，当功率器件功耗较大时，依靠器件芯片、封装及管壳的散热是否满足散热设计要求。功率器件的结温超出了器件正常工作时的安全结温，就必须安装合适的散热器进行有效散热，使器件在安全结温之内能够长期正常、可靠的工作。

三、机电工程中功率器件的热性能

功率器件在受到来自器件本身工作时产生的热或受到器件壳体接触到的热源影响，又得不到及时地散热，就会导致功率器件内部芯片的温度升高，使器件的可靠性降低无法正常工作。功率器件的热性能：结温和热阻。

3.1结温

当功率器件的结温温度超过其环境温度时，由温差变化形成的热扩散流，把器件芯片上的热量传递到管壳并向外散发热能，并随着器件结温与环境温差的变化增大而使传热量增大。

3.2热阻

功率器件传递热量能力的大小为热阻，当其数值增大时，功率器件的散热能力就减小。热阻分为内、外热阻：

①内热阻是功率器件本身的热阻，并与功率器件的芯片、外壳材料的导热率、厚度和截面积等有关。

②外热阻是功率器件外部的热阻，并与功率器件外部的封装形式有关，而且管壳面积越大，外热阻越小。

3.3选配散热器的注意事项

散热器的选取应使模块芯片的实际工作结温低于芯片的最高允许结温。无论是连续工作制还是短时工作制，都不允许器件超结温。晶闸管结温不超过125℃，整流管结温不超过150℃。模块在使用时，必须配备适当的散热器。为保证功率半导体器件正常工作，散热条件至关重要。随着环境温度的升高空气流动越通畅，散热器向环境散热就越快，反之则散热变慢。环境污染越严重，散热器上覆盖的灰尘就会越多，不仅为散热器向环境散热增加了一个阻挡层，也使得散热风机的叶片结垢而影响转速，会严重影响散热效果。器件工作的空间大小也与散热有关，狭小的空间会造成热量聚积，减小模块到散热器的温度梯度，影响散热。因此，要注意保持环境的清洁，设备上的灰尘也应及时清理。

四、机电工程中功率器件的散热器选取要求

①各种功率器件的内热阻不同，安装散热器时要考虑到功率器件与散热器之间的接触热阻不同，所以，合理选取散热器，就能有效降低功率器件的结温，提高功率器件的可靠性。

②不仅要考虑到散热器与功率器件之间的匹配、环境等因素，还要考虑到电子设备的大小、重量等因素。

③为了保证功率器件在安全结温工作时能正常工作，可选取功率器件的安全结温点低于允许结温点10℃左右，并使用优化的散热器进行有效散热。

五、机电工程中功率器件的散热器设计

①肋片厚度：肋片薄散热快，但如果肋片太薄，会给加工增加困难，所以肋片的厚度要适宜。

②肋片高度：肋片及底板的散热可形成自然对流换热，肋片高散热快，但过高却失去效用（肋片超过一定高度，其散热量没有多大改变），反而占用空间。所以，肋片的高度要根据实际空间需要来设计。

③肋间距：肋片间距小，其热阻降低，如果肋间距过小，就会影响通风，降低发散热。所以肋间距的设计要综合考虑。

④底板：底板的厚薄不仅会影响其本身的热阻变化，还会影响到散热器底板的温度分布和均匀性。所以，底板的设计要考虑好板的厚度、长度和高度。

结束语

综上所述，机电工程中功率器件的热设计与散热设计，可以保证功率器件在安全结温下正常工作，通过实际的运用，不断的找出散热系统的不足之处并加以改善，另外相关人员要重视对散热器散热效果的影响，从而使机电工程能够取得较好的经济效益和社会效益，稳定工程的安全性。

参考文献：

[1]李冰，李岩.浅谈热管及其在电子器件散热方面的应用与发展[J].甘肃科技，2009，（7）.

[2]张诚坚，高健，何南忠.计算方法[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]李泉明.风扇出风口与散热器间的距离对模块散热的影响研究[J].

[4]包雪松.《铝合金压铸散热模块结构设计研究》[D].上海：上海交通大学，2011年