功率器件的散熱計(jì)算及散熱器選擇
目前的電子產(chǎn)品主要采用貼片式封裝器件，但大功率器件及一些功率模塊仍然有不少用穿孔式封 裝，這主要是可方便地安裝在散熱器上，便于散熱。進(jìn)行大功率器件及功率模塊的散熱計(jì)算，其目的是在確定的散熱條件下選擇合適的散熱器，以保證器件或模塊安全、可靠地工作。
散熱計(jì)算
任何器件在工作時(shí)都有一定的損耗，大部分的損耗變成熱量。小功率器件損耗小，無(wú)需散熱裝置。而大功率器件損耗大，若不采取散熱措施，則管芯的溫度可達(dá)到或超過(guò)允許的結(jié)溫，器件將受到損壞。因此必須加散熱裝置，最常用的就是將功率器件安裝在散熱器上，利用散熱器將熱量散到周圍空間，必要時(shí)再加上散熱風(fēng)扇，以一定的風(fēng)速加強(qiáng)冷卻散熱。在某些大型設(shè)備的功率器件上還采用流動(dòng)冷水冷卻板，它有更好的散熱效果。 散熱計(jì)算就是在一定的工作條件下，通過(guò)計(jì)算來(lái)確定合適的散熱措施及散熱器。功率器件安裝在散熱器上。它的主要熱流方向是由管芯傳到器件的底部，經(jīng)散熱器將熱量散到周圍空間。若沒(méi)有風(fēng)扇以一定風(fēng)速冷卻，這稱為自然冷卻或自然對(duì)流散熱。
熱量在傳遞過(guò)程有一定熱阻。由器件管芯傳到器件底部的熱阻為R JC，器件底部與散熱器之間的熱阻為R CS，散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為R SA，總的熱阻R JA=R JC+R CS+R SA。若器件的最大功率損耗為PD，并已知器件允許的結(jié)溫為TJ、環(huán)境溫度為TA，可以按下式求出允許的總熱阻R JA。
R JA≤(TJ-TA)/PD
則計(jì)算最大允許的散熱器到環(huán)境溫度的熱阻R SA為
R SA≤({T_{J}-T_{A}}\over{P_{D}})-(R JC+R CS)
出于為設(shè)計(jì)留有余地的考慮，一般設(shè)TJ為125℃。環(huán)境溫度也要考慮較壞的情況，一般設(shè)TA=40℃ 60℃。R JC的大小與管芯的尺寸封裝結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般可以從器件的數(shù)據(jù)資料中找到。R CS的大小與安裝技術(shù)及器件的封裝有關(guān)。如果器件采用導(dǎo)熱油脂或?qū)釅|后，再與散熱器安裝，其R CS典型值為0.1 0.2℃/W;若器件底面不絕緣，需要另外加云母片絕緣，則其R CS可達(dá)1℃/W。PD為實(shí)際的最大損耗功率，可根據(jù)不同器件的工作條件計(jì)算而得。這樣，R SA可以計(jì)算出來(lái)，根據(jù)計(jì)算的R SA值可選合適的散熱器了。
散熱器簡(jiǎn)介
小型散熱器(或稱散熱片)由鋁合金板料經(jīng)沖壓工藝及表面處理制成，而大型散熱器由鋁合金擠壓形成型材，再經(jīng)機(jī)械加工及表面處理制成。它們有各種形狀及尺寸供不同器件安裝及不同功耗的器件選用。散熱器一般是標(biāo)準(zhǔn)件，也可提供型材，由用戶根據(jù)要求切割成一定長(zhǎng)度而制成非標(biāo)準(zhǔn)的散熱器。 散熱器的表面處理有電泳涂漆或黑色氧極化處理，其目的是提高散熱效率及絕緣性能。在自然冷卻下可提高1015%，在通風(fēng)冷卻下可提高3%，電泳涂漆可耐壓500 800V。
散熱器廠家對(duì)不同型號(hào)的散熱器給出熱阻值或給出有關(guān)曲線，并且給出在不同散熱條件下的不同熱阻值。
計(jì)算實(shí)例
一功率運(yùn)算放大器PA02(APEX公司產(chǎn)品)作低頻功放，其電路如圖1所示。器件為8引腳TO-3金屬外殼封裝。器件工作條件如下:工作電壓 VS為 18V;負(fù)載阻抗RL為4 ，工作頻率直流條件下可到5kHz，環(huán)境溫度設(shè)為40℃，采用自然冷卻。
查PA02器件資料可知:靜態(tài)電流IQ典型值為27mA，最大值為40mA;器件的R JC(從管芯到外殼)典型值為2.4℃/W，最大值為2.6℃/W。
器件的功耗為PD:
PD=PDQ+PDOUT
