電子電路散熱基本知識

因此，熱流的問題可以等同于電學中的電流對待，半導體器件散熱系統(tǒng)同樣可以按電路中的歐姆定律來處理。由熱學的基本關系可得下式：

△     T=φ·θ

上式就是溫度一熱流方程，它說明溫度的變化是由熱流和熱阻產(chǎn)生的。溫度～熱流方程是歐姆定律在熱學中的體現(xiàn)，它是處理半導體器件散熱問題的理論依據(jù)。

二、散熱系統(tǒng)常用術語

1．熱路

熱路即熱傳導通過的路徑，現(xiàn)以半導體器件來說明。半導體器件的熱量產(chǎn)生于PN結，熱量通過器件內(nèi)部結構傳到器件外殼，再散發(fā)到周圍的空氣中。由于半導體器件的外殼不可能制作得很大，外殼和空氣的接觸面積不夠大，所以大功率半導體器件都要采用散熱板擴大其外殼和空氣的接觸面積，加快散熱過程。因此，大功率半導體器件的熱路為PN結一管殼一散熱板一空氣。

2．熱阻

熱阻是熱傳導路徑上的阻力，表示熱傳導過程中每散發(fā)掉1w功率的熱量，熱路兩端需要的溫度之差，其符號為R_T，單位為℃／W。熱阻的串并聯(lián)關系與電路中電阻的串并聯(lián)計算方法相同。

如圖30-1所示。半導體功率器件的熱路中一般由三個熱阻串聯(lián)而成，它們是：

 ①從發(fā)熱的PN結到器件外殼的熱阻θjc。

②從管殼到散熱板的熱阻θcs。這是兩個金屬接觸面間的熱阻。由于管殼與散熱板之間需加絕緣墊片，而絕緣墊片一般傳熱性不好，所以存在一定的熱阻。

③散熱板與空氣間的熱阻θsa,它與散熱板的材質(zhì)和空氣的接觸面積有關。

3．散熱器

基于熱源(半導體器件)和周圍空氣之間溫差和熱阻而運作的熱量散失器件叫做散熱器。

4．散熱器功能

因源于半導體器件熱量傳輸有效面積的增加，因而散失熱量也增大。

5．自然對流

自然對流是指圍繞或通過散熱器空氣的運動系因溫差和浮力效應而產(chǎn)生。

6．強制對流

強制對流指空氣的運動系因力學手段而產(chǎn)生，如風機或鼓風機。

7．散熱器特性

一般可用熱阻和散熱器容積的關系表示，即散熱器容積越大，熱阻越低，則特性越好。增加空氣經(jīng)過散熱器的流速(由自然對流改為強制對流)是降低熱阻的有效方法。圖30-2給出了散熱器的這種特性關系。

三、半導體器件的發(fā)熱和散熱

這里以半導體三極管為例進行介紹。半導體三極管的熱量是由集電極和發(fā)射極的PN結產(chǎn)生的。由于集電結工作時加反向偏置電壓，有很高的電阻，所以會產(chǎn)生很多的熱量。實際上集電結產(chǎn)生的熱量遠遠大于加正向偏壓的發(fā)射結，因而可以將發(fā)射結產(chǎn)生的熱量忽略。此時半導體三極管的耗散功率為：

P_D=Ic·V_CE

    式中：P_D——耗散功率；

          Ic——集電極電流；

          V_CE——集電極與發(fā)射極之間的電壓。

耗散功率Pn就是半導體三極管需要散發(fā)的熱流。當熱流遇到熱阻時，就會使三極管的溫度升高。

不同的半導體所承受的最高溫度是不同的，如鍺為85℃～100℃，而硅為150℃～200℃。雖然不同半導體都有不同的最高工作溫度，但卻不能讓它們在高溫條件下工作，這是因為半導體器件的性能會隨溫度的升高而下降。圖30-3給出了一個大功率半導體三極管的最大耗散功率與外殼溫度的關系曲線。當溫度低于25℃時，最大耗散功率可達90W；當高于此溫度后，最大耗散功率呈線性下降。因此，必須給大功率半導體三極管增加散熱裝置，改善散熱條件，使其能正常工作。