功率器件的散热计算及散热器选择
H e a t D i s p e r s i o n C a l c u l a t i o n F o r P o w e r D e v i c e s a n d R a d i a t o r s S e l e c t i o n
功率管的散热基础理论
功率管是电路中最容易受到损坏的器件.损坏的大部分原因是由于管子的实际耗散功率超过了额定数值.那么它的额定功
耗值是怎样确定的,还有没有潜力可挖呢?让我们来分析一下.
晶体管耗散功率的大小取决于管子内部结温Tj. 当Tj 超过允许值后,电流将急剧增大而使晶体管烧毁.硅管允许结温一般是125~200℃,锗管为85℃左右(具体标准在产品手册中给出).耗散功率是指在一定条件下使结温不超过最大允许值时的电流与电压乘积.管子消耗的功率越大,结温越高.要保证结温不超过允许值,就必须将产生热散发出去.散热条件越好,则对应于相同结温允许的管耗越大,输出也就越大.因此功率管的散热问题是至关重要的.
热阻
为了描述器件的散热情况,引入热阻的概念.电流流过电阻R ，电阻消耗功率RI 2[W]（每秒RI 2焦耳能量），导致电阻温度上升。用隔热材料覆盖电阻，电阻产生的热量不能散发时，则电阻温度随着时间增加而上升，直至电阻烧坏。
一般而言，二物体间的温差越大，温度高的物体向低的物体移动量增多。某电阻置于空气中（如图6.33所示），由于流过电流向电阻提供功率，这功率变为热能。在使电阻温度生高的同时，部分热能散发于空气中。开始有电流流过电阻时，电阻温度不高，因此散发的热也小，电阻温度逐渐上升，散发的热量也上升
与用电阻表示对电流的阻力类似.热阻表示热传输时所受的阻力.即由U1-U2=I ×R 可有类似的关系
T1-T2=P ×R T (1-1)
其中T1-T2为两点温度之差,P 为传输的热功率,R T 是传输单位功率时温度变化度数,单位是℃/W.RT 越大表明相同温差下散发的热能越小.于是结温Tj,环境温度Ta,管耗PCM 及管子的等效热阻R T 之间有以下的关系 Tj-Ta=P CM ×RT (1-2)
若环境温度一定(常以25℃为基准), Tj 已定,则管子等效热阻越小,管耗P CM 就越可以提高.下面我们来看看管子的散热途径及等效热阻的情况.
以晶体管为例.图1-1(a)是晶体管散热的示意图.从管芯(J-Junction)到环境(A-Ambient)之间有几条散热途径: 管芯(J)到外壳(C-Case),通过外壳直接向环境(A)散热;或通过散热器(S)(中间有界面)向环境散热.不同的管芯(指材料、工艺不同)本身的散热情况不同,或者说热阻不同.外壳、散热器等的热阻也各不相同.我们可用一个等效电路来模拟这个散热情况,如图1-1(b)所示.散发的热能Pc 表示为电流的形式;两点的温度分别为结温Tj,和环境温度Ta;结到外壳的热租用Rjc 表示,外壳到环境用Rca 表示,外壳到散热器用Rcs 表示,散热器到环境用Rsa 表示,加散热器后有两条并存的散热途径.
图1-1 晶体管散热情况分析
(a)晶体管散热示意图 (b)散热等效电路
对于小功率管,一般不用散热器,则管子的等效热阻为
R T = Rjc+ Rca (1-3)
而大功率管加散热器后,一般总有Rcs+ Rsa< R T ≈ Rjc+ Rcs+ Rsa (1-4) 不同的管子Rjc 不同,比如MJ21195的Rjc=0.7℃/W,而MJE15034的Rjc=2.5℃/W. Rca 与管壳的材料和几何尺寸有关. Rsa 与散热器的材料(铝、铜等)及散热面积等有关.并且发现将它垂直放置比水平放置散热效果好,表面钝化涂黑又可改进热 外壳C 散热器S (a) Pc (b) 易腾科技有限 公 司 w w w s r p .c o m Rcs 是管壳与散热器界面的热阻.可分为接触热阻和绝缘层热阻.接触热阻取决于接触面的情况,如面积大小、压紧程度等. 若在界面涂导热性能较好的硅脂可减少热阻.当需要与散热器绝缘时(如利用外壳、底座进行散热的情况),垫入绝缘层也会形成热阻.绝缘层可以是0.05~0.1mm 厚的云母片或采用阳极氧化法在表面形成的绝缘层. 若已知管子的总热阻为R T ,则在环境温度为T A 时允许的最大耗散功率可由式(1-2)得出.在产品手册上给出的管耗只在指定散热器(材料、尺寸一定)及一定环境温度下的最大允许值.若散热条件发生变化,则允许的管耗也应随之改变. 对于其它类型的器件(包括集成功放等),耗散功率和散热的关系均与此类似.因此在使用中必须注意环境温度及合适的散热器(同时要注意器件与散热器的压紧情况等),才能获得所需的功率. 图1-2 铝散热板的热阻 实际产品设计的散热计算 目前的电子产品主要采用贴片式封装器件，但大功率器件及一些功率模块仍然有不少用穿孔式封装，这主要是可方便地安装在散热器上，便于散热。进行大功率器件及功率模块的散热计算，其目的是在确定的散热条件下选择合适的散热器，以保证器件或模块安全、可靠地工作。 任何器件在工作时都有一定的损耗，大部分的损耗变成热量。小功率器件损耗小，无需散热装置。而大功率器件损耗大，若不采取散热措施，则管芯的温度可达到或超过允许的结温，器件将受到损坏。因此必须加散热装置，最常用的就是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间，必要时再加上散热风扇，以一定的风速加强冷却散热(风冷)。在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板(水冷)，它有更好的散热效果。 散热计算就是在一定的工作条件下，通过计算来确定合适的散热措施及散热器。功率器件安装在散热器上。它的主要热流方向是由管芯传到器件的管壳，经散热器将热量散到周围空间。若没有风扇以一定风速冷却，这称为自然冷却或自然对流散热。 热量在传递过程有一定热阻。由器件管芯传到器件管壳的热阻为Rjc ，器件管壳与散热器之间的热阻为Rcs ，散热器将热量散到周围空间的热阻为Rsa ，总的热阻Rja=Rjc+R cs+R sa 。若器件的最大功率损耗为P D ，并已知器件允许的结温为Tj 、环境温度为T A ，可以按下式求出允许的总热阻Rja 。 Rja ≤(Tj-T A )/ P D 则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻Rsa 为 Rsa ≤[(Tj-T A )/over( P D )]-(Rjc+Rcs) 出于为设计留有余地的考虑，一般设Tj 为125℃。环境温度也要考虑较坏的情况，一般设T A =40℃~ 60℃。Rjc 的大小与管芯的尺寸封装结构有关，一般可以从器件的数据资料中找到。Rcs 的大小与安装技术及器件的封装有关。如果器件采用导热油脂或导热垫后，再与散热器安装，其Rcs 典型值为0.1~0.2℃/W;若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘，则其Rcs 可达1℃/W 。P D 为实际的最大损耗功率，可根据不同器件的工作条件计算而得。这样，Rsa 可以计算出来，根据计算的Rsa 值可选合适的散热器了。 关于散热器选择 首先确定要散热的电子元器件，明确其工作参数，工作条件，尺寸大小，安装方式，选择散热器的底板大小比元器件安装面略大一些即可，因为安装空间的限制，散热器主要依靠与空气对流来散热，超出与元器件接触面的散热器，其散热效果随与元器件距离的增加而递减。对于单肋散热器，如果所需散热器的宽度在表中空缺，可选择两倍或三倍宽度的散热器截断100 (cm 2) Rsa (℃/W 10 50 7 10 5×10 10 深圳市蜀易腾科技司 w w w .s y t -s r p .c o m 关于散热器的计算方法 参数定义： R T ------ 总内阻，/W ℃； Rjc ------ 半导体器件内热阻，/W ℃； Rcs ------ 半导体器件与散热器界面间的界面热阻，/W ℃； Rsa ------ 散热器热阻，/W ℃； Tj ------ 半导体器件结温，℃； Tc ------ 半导体器件壳温，℃； Ts ------ 散热器温度，℃； T A ------ 环境温度，℃； P D ------ 半导体器件使用功率，W ； ΔTsa ------ 散热器温升，℃； 散热计算公式: Rsa = (Tj- T A )／P D - Rjc – Rcs 散热器热阻Rsa 是选择散热器的主要依据。Tj 和Rjc 是半导体器件提供的参数，P D 是设计要求的参数，Rcs 可从热设计专业书籍中查表。 （1）计算总热阻R T : R T = (Tjmax- T A )／P D （2） 计算散热器热阻Rsa 或温升ΔTsa ： Rsa = R T －Rjc －Rcs ΔTsa ＝Rsa ×P D （3）确定散热器 按照散热器的工作条件（自然冷却或强迫风冷），根据Rsa 或ΔTsa 和P D 选择散热器，查所选散热器的散热曲线（Rsa 曲线或ΔTsa 线），曲线上查出的值小于计算值时，就找到了合适的散热器。 对于型材散热器，当无法找到热阻曲线或温升曲线时，可以按以下方法确定： 按上述公式求出散热器温升ΔTsa ，然后计算散热器的综合换热系数α： α＝7.2ψ1ψ2ψ3{√√ [(Ts - T A )／20]} 式中：ψ1─── 描写散热器L/b 对α的影响，（L 为散热器的长度，b 为两肋片的间距）； ψ2─── 描写散热器h/b 对α的影响，（h 为散热器肋片的高度）； ψ3─── 描写散热器宽度尺寸W 增加时对α的影响； √√ [(Ts - T A )／20]───描写散热器表面最高温度对周围环境的温升对α的影响； 以上参数可以查表得到。 计算两肋片间的表面所散的功率q0 q0 =α × ΔTsa ×（2h+b ）×L 根据单面带肋或双面带肋散热器的肋片数n,计算散热功率P D ′ 单面肋片：P D ′＝nq0 双面肋片：P D ′＝2nq0 若P D ′ ＞P D 时则能满足要求。 散热器简介 小型散热器(或称散热片)由铝合金板料经冲压工艺及表面处理制成，而大型散热器由铝合金挤压形成型材，再经机械加工及表面处理制成。它们有各种形状及尺寸供不同器件安装及不同功耗的器件选用。散热器一般是标准件，也可提供型材，由用户根据要求切割成一定长度而制成非标准的散热器。散热器的表面处理有电泳涂漆或黑色氧极化处理，其目的是提高散热效率及绝缘性能。在自然冷却下可提高10~15%，在通风冷却下可提高3%，电泳涂漆可耐压500~800V 。 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 例题分析 例1.1 一功率运算放大器PA02(APEX 公司产品)作低频功放，其电路如图1所示。器件为8引脚TO-3金属外壳封装。器件工作条件如下:工作电压 Vs 为 18V;负载阻抗R L 为4 ，工作频率直流条件下可到5kHz ，环境温度设为40℃，采用自然冷却。 查PA02器件资料可知:静态电流I Q 典型值为27mA ，最大值为40mA;器件的Rjc(从管芯到外壳)典型值为2.4℃/W ，最大值为2.6℃/W 。 器件的功耗为P D : P D = P DQ + P D OUT 式中P DQ 为器件内部电路的功耗，P D OUT 为输出功率的功耗。P DQ = I Q (Vs+|-Vs|)，P D OUT = Vs 2/4R L ，代入上式得: P D = I Q (Vs+|-Vs|)+ Vs 2/4 R L =37mA(36V)+182V/4×4 =21.58≈21.6W 式中静态电流取37mA 。 散热器热阻Rsa 计算:Rsa ≤({Tj-T A }/over{ P D })-(Rjc+Rcs) 为留有余量，Tj 设125℃，T A 设为40℃，Rjc 取最大值(Rjc=2.6℃/W)，Rcs 取0.2℃/W ，(PA02直接安装在散热器上，中间有导热油脂)。将上述数据代入公式得: Rsa ≤[{125℃-40℃}\over{21.6W}]-(2.6℃/W+0.2℃/W)≤1.135℃/W HSO4在自然对流时热阻为0.95℃/W ，可满足散热要求。 注意事项 1.在计算中不能取器件数据资料中的最大功耗值，而要根据实际条件来计算;数据资料中的最大结温一般为150℃，在设计中留有余地取125℃，环境温度也不能取25℃(要考虑夏天及机箱的实际温度)。 2.散热器的安装要考虑利于散热的方向，并且要在机箱或机壳上相应的位置开散热孔(使冷空气从底部进入，热空气从顶部散出)。 3.若器件的外壳为一电极，则安装面不绝缘(与内部电路不绝缘)。安装时必须采用云母垫片来绝缘，以防止短路。 4.器件的引脚要穿过散热器，在散热器上要钻孔。为防止引脚与孔壁相碰，应套上聚四氟乙稀套管。 5.另外，不同型号的散热器在不同散热条件下有不同热阻，可供设计时参改，即在实际应用中可参照这些散热器的热阻来计算，并可采用相似的结构形状(截面积、周长)的型材组成的散热器来代用。 6.在上述计算中，有些参数是设定的，与实际值可能有出入，代用的型号尺寸也不完全相同，所以在批量生产时应作模拟试验来证实散热器选择是否合适，必要时做一些修正(如型材的长度尺寸或改变型材的型号等)后才能作批量生产。 例1.2 在功率放大电路中,如果管耗超过允许值PCM,将导致三极管温升过高而损坏.如果在三极管上安装具有一定散热面积的散热器时,可以增加最大允许管耗PCM,现有低频放大功率管3AD1在环境温度T A =25℃时的P C M 为1W ,已知3A D 1的允许结温Tj=85℃,管子的内热阻Rjc=3.5℃/W,试问若采用120×120×3mm 3的散热器垂直放置时,允许耗散的功率为多少?当室温升至50℃时,允许的耗散功率又为多少? 解: 根据散热器面积 A =120×120mm 2=14400 mm 2= 144cm 2 查手册可知散热器的热阻为 Rsa=3.5℃/W 设三极管与散热器间的热阻为 Rcs=0.5℃/W 则三极管的总热阻 R T ≈ Rjc+ Rcs+ Rsa=(3.5+0.5+3.5) ℃/W=7.5℃/W 而三极管最大允许耗散功率P CM 决定于总热阻R T 、最高允许结温Tj 和环境温度T A .它们之间应满足热平衡方程式: R T P CM =Tj-T A 于是有: P CM =( Tj-T A )/R T =(85-25)℃/7.5℃/W=8W 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 接触面积,便于热传导. 当室温升至50℃时,允许耗散功率为 P CM50=( Tj-T A )/R T =(85-50)℃/7.5℃/W=4.7W 这说明环境温度升高时,允许的P CM 下降了.一般手册上给出的都是室温25℃时的参数,选管时必须考虑实际运行时的环境温度. 例1.3：为什么散热器通常用铝来制作？ 答：从材料的导热性能来看，银最好、铜、金次之、然后是铝，但是金、银的价格相对昂贵，不适宜大量使用；铜的导热性比铝好，但是铜比铝重约两倍而且加工成形性差，只能制作成简单的形状；铝的导热性良好、重量轻、比铜便宜而且耐腐蚀、利用加工设备可以制成各种复杂的形状，能满足电子电力行业对散热器的诸多要求，因此被认为是制作散热器的最佳材料；而6063铝合金具有良好的导热性,成形性,强化处理后强度适中适合各种机加工,是制造型材散热器的首选材料。 例1.4：为什么铝散热器价格比普通铝型材贵？ 答：由于制作散热器的铝材有特殊的要求，包括化学成分、复杂的形状、底板的光洁度、表面处理等；用6063牌号制成的铝材其导热系数是杂铝的数倍，制作散热器成品，通常要对铝材进行机加工和单件的表面处理，这会降低材料的利用率，因此折合到单位重量的价格会比普通的铝型材贵。 例1.5：散热器的表面颜色对散热性能有什么影响？ 答：通常散热器的表面颜色制成银白色（铝本色）、黑色、金黄色及其他鲜艳的颜色，由于黑色的热辐射能力最强，在自然对流的条件下，黑色的散热器比银白色的散热能力提高5％左右，而金黄色及其他鲜艳的颜色，则不会增加散热能力或增加极小，但对表面能起到保护作用。在强制冷却（如风冷）条件下，散热器表面颜色对散热性能没有影响。 例1.6：铝材散热器的散热面积是怎么计算的？ 答：铝材散热器的散热面积等于（周长×截断长度），其中：周长是厂家图纸提供的，截断长度由用户确定；简单地可以用（2×翅片高度×翅片数量＋底板宽度）×截断长度来估算；如果翅片上带小齿，其散热面积比不带小齿（光齿）的翅片增加15％左右. 散热器规格描述规则 一般采用下列方式进行规格描述: : H---黑色; Y---银色 (见孔样图) (mm) 热管简介 热管是一种高效的传热器件。利用相变原理和毛细作用，可以在极小的温差下远距离地高效传输热量而不需外部能量。热管的形状可以是任何形式（圆形，方形，或其他结构），整个热管可分为三个部分：蒸发段，绝热段和冷凝段。在蒸发段，外部的热量使该段的工质部分蒸发并形成蒸发段与冷凝段之间的压差，蒸汽被送到冷凝段，只要冷凝段温度低于蒸汽的饱和温度，蒸汽就凝固，并把汽化潜热传给外部的散热器，热管壁上有吸液芯结构（管芯）。依靠吸液芯产生的毛细力，使冷凝液体从冷凝段回到蒸发段。只要热管在几个极限以下正常运行，就可连续不断地把工质汽化潜热从蒸发段传递到冷凝段，以汽化潜热进行的换热比单相对流系统以显热方式传递的热量大几个数量级，它本身的热传递效率比同样材质的纯铜高出几百倍到数千倍。 热管的工作原理最初是由G a u g l e r 和T r e f e t h e n 发现的，直到1964年G e o r g e M . G r o v e r 第一个发明并且制造出了热管，热管才受到人们的重视，由于其具有极好的导热性和等温性，热管最初用于卫星系统，因为热管较高的成本和较小的需求使其商业化的进程非常缓慢，随着热管技术的逐渐成熟和应用的成功经验，作为高端电子设备的散热器，热管逐渐被市场接受，需求的增长降低了热管的制造成本，使热管开始大量用于圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 110 32 1 32 112.6 132 132 38.5 154 130.7 154 154 44.8 176 148.8 176 176 51.2 198 166.5 198 散热器形状 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 深圳市蜀易腾科技有限 公 司 w w w .s y t -s r p .c o m 功率器件热管散热器介绍 随着功率器件如绝缘栅双极晶体管IGBT及电力电子设备的日趋流行向小型化、大功率和高精度方面发展，除了需要采用先进的元器件和设计新型先进的电子线路外，还需要缩小散热器的体积。因此，通常使用的铝型材散热器或叉指型散热器就很难满足功率器件散热的要求。热管是一种新型高效的传热元件，因为它利用了沸腾吸热和凝结放热两种最强烈的传热机理，因而表现出优异的传热特性，即传热效率高和沿轴向的等温特性好，其热耗散效率比同质量的铜散热器大2~3个数量级。 以热管为散热器件的热管散热器在功率电子设备中的应用是近年才发展起来的一种先进的 高效散热器件。由于热管散热器具有体积小、重量轻、散热效率高等优点，既能提高大功率管的设计使用功率，大大地延长功率管的寿命，简化功率管的散热设计，又能减少功率电子设备的噪音，提高设备的可靠性，降低成本。因此，热管散热器越来越受人们的重视。1．热管的工作原理 热管是密闭封焊的蒸发冷却器件。热管结构包括一个具有毛细管作用的吸液芯和小量能汽化的液体。热量施加于热管的一端，引起液体蒸发，蒸汽流动到热管的另一端，在那里冷凝，释放出潜热。然后，冷凝了的液体通过吸液芯，由毛细管作用流回蒸发端，完成循环如下图所示。 2．热管散热器的主要性能和参数 RGS-Z系列自冷式热管散热器(水平式)和RGS-F系列风冷式热管散热器(重力式) 的性能参数有：散热功率、热阻R Tf、等温性、管壁温升△Tfa、环境工作温度、寿命、安装方式等。现将其中主要参数介绍如下； (1)散热功率 当热管散热器加入热源功率Pc，管壁温升△Tfa不超过50℃时，此热源功率Pc即为该热管散热器的散热功率。 (2)热阻R Tf 当热管散热器加入热源功率的时候，管壁温度Tf和环境温度Ta之差与所加的热功率Pc之比为热管散热器的热阻R Tf，如下式。热管散热器的热阻特性与型材和叉指型散热器的热阻特性相似。在额定的散热功率范围内，热阻R Tf将随热源功率Pc的增加而略有下降，但基本上为一条平坦直线： (3)等温性 在热管散热器的某—端(称加热端)加热源功率Pc，待热平衡后，另一端(称冷端)相对应的地方非常接近于热端的温度，此时，热管散热器的温度梯度相当小，也就是说热管散热器进入了热管工作状态。 (4)管壁温升△Tfa 在额定散热功率内，热管散热器管壁温升△Tfa将随热源功率增加而上外。上升的规律可由下式表示。在允许的范围内，只要热源功率不变，管壁温升是一定的： 暖气片报价如何选型及计算 机械循环热水采暖系统，摩擦阻力损失占50%，局部阻力损失占50%； 换热器按0.1-0.15MPa估算； 设计裕量:10-20%。 1MPa=10KGF/CM2=100MH2O 1MMH2O=10Pa 循环水泵如何选择? 应根据计算所得的水量G及总循环阻力H来选择水泵.与外网连接的系统应换算外网在本楼接口处的供回水压差，是否够用(城市热网一般预留压差≥5MH2O)。 金旗舰散热器的工作压力定多少是合适的? 我国暖通空调设计规范规定,采暖系统高度超过50M时就应分区设置.这时系统的静压约为55MH2O。而采暖系统的动压(推动水循环，包括换热器等)约为20M-30M H2O,动压和静压的总和约为70-90MH2O (即0.7-0.9MPa)。所以散热器的工作压力取1.0MPa已够用了。关于个别城市热网直连的情况可作特殊处理。 系统运行前的压力测试如何进行? 在系统或系数的某部分投入运行前,必须对其进行压力测试.首先,所测系统应排出空气并充满处理过的水，然后用泵将压力升到至少为工作压力的1.5倍。这一压力应该至少保持10分钟，压力下降 不超过0.02 Mpa才为合格，在压力测试过程中，应对接头，连接处和设备进行目测检查以确保无泄漏。测试人员应进行记录，该记录应包括时间、地点、观测设备以及测试的初始和终了压力等信息，也应包括注意到的可能渗漏.最后测试人员在测试记录上签字。具体测点位置及系统试压的压力值均应按施工验收规范要求确定。 热水供暖系统设计应强调哪些问题? 应从以下6方面考虑： 1、必须保证满水条件下的闭式循环,最好实现密闭式热水采暖系统； 2、必须强调供暖水质的处理及控制； 3、必须保证有足够的水量,足够的资用压头； 4、必须有良好的排气,保证水循环畅通； 5、必须考虑水力平衡,保证各组散热器均能通水； 6、对较长的直管段,必须考虑热补偿。 三散热器选择与比较 购房要注意有关供暖系统的哪些问题? 可以从7个方面加以考虑： 1、注意散热器的热负荷,即每平方米的散热量.华北地区的砖混结构住宅,一般配置70W/㎡；节能型保温建筑配置50W/㎡；华中及华东地区的独立供暖住宅，一般配置120～130W/㎡。 2、看散热器类型是否安全舒适.面积很大的房间最好选用R021B 1800的散热器,散热均匀又安全舒适； 散热器选型计算说明书 一、根据客户提供的工艺参数： 蒸汽压力：10kgf/cm2温度：175℃ 热空气出风温度150℃温差按15℃，闭式循环 烤箱内腔尺寸：716*1210*4000MM 风量G=6000-7000M3/H 补新风量为20% 二、选型计算： 1．满足工艺要求的总负荷 Q1=0.24Gγ（Δt）=0.24×6500×0.9×15 =21060Kcal/h Q2=0.24Gγ（Δt2）=0.24×6500×20%×1.0×125 =39000 Kcal/h 总热负荷Q=Q1+Q2=60060Kcal/h 2．根据传热基本方程式Q=KA△Tm △T m=△Tmax - △Tmin ln△Tmax/△Tmin =（100-20）-(175-150) ln(75/30) =47.4℃ 则换热面积A=Q / ψK△Tm 根据我公司产品性能及工艺要求，初选换热系数K=33Kcal/h·m2·℃ 则换热面积A=60060 / 1.0×（33×47.4） =38.4m2 设计余量取18% 则总换热面积A=45m2 根据空气阻力小，风速较低，受风面积较大的原则，初选风速V=4m/s 则所需排管受风表面积=6500 /（3600×4）=0.45m2 根据客户提供空间尺寸，推荐参数800×500mm，受风面积为： 0.4m2 所以，初选散热器换热面积为45 m2 表面管数：11根. ￠18X2.0-38不锈钢铝复合管. 排数：8排. 3．性能复核计算： 1）此散热器净通风截面积为0.4m2 2）实际风速V=6500/（3600×0.4×0.55）=8.2m/s 查表知此温度下的空气比重γ=0.95KG/M3 5）根据我公司的散热管性能曲线图，当片距为3.0mm Vr=7.8kg/ m2·s时，散热管的空气阻力h=3.6mmWg 6)该散热排管8排，其空气阻力h=3.6×8=29mmWg 此空气阻力远小于900Pa 的风压，所以，我公司所选型号: SGL-8R-11-800-Y，换热面积为45 m2， 迎风尺寸：800X500mm。符合设计要求。 以上选型供参考。 广州捷玛换热设备有限公司 2017-03-02 车用散热器散热面积的计算 一、散热量的确定 1．用户已给散热量的按已给散热量计算. 2．对车用柴油机可按下式进行估算：Q=（）P s式中P s表示发动机功率. 燃烧室为预燃室和涡流室的发动机取较大值P s 直接喷射式的发动机取较小值P s 增压的直喷柴油机可取P s 二、计算平均温度差Δt m 1.散热器的进水温度t s1 闭式冷却系可取t s1=95-100℃(节温器全开温度) 2.散热器出水温度t s2 t s2=t s1-Δt sΔt s是冷却水在散热器中的最大温降,对强制冷却 系可取Δt s=6-12℃ 3.进入散热器的空气温度t k1一般取t k1=40-45℃ 4.流出散热器的空气温度t k2 t k2= t k1+Δt kΔt k是空气流过散热器时的温升,可按下式计算: Δt k=Q/(3600×A Z×C P×V K×ρk) 式中A Z表示散热器芯部的正迎风面积; C P表示空气的定压比热容C P=kgf℃V K表示散热器前的空气流速,车用发动机可取V K=12-15m/s ρk表示空气密度,设定在一个大气压气温50℃下查表得ρk=1.09kg/m3 5.平均温差修正系数φ 汽车发动机的冷却形式,属于两种流体互不混合的交叉流式换热形式.与热力学的简单顺流与逆流的换热形式不同,所以要以修正系数φ对平均温度差结果进行计算修正.而φ值的大小取决于两个无量纲的参数P及R. P=(出气温度-进气温度)/(进水温度-进气温度) R=(进水温度-出水温度)/( 出气温度-进气温度) 查上表可得φ值 6.平均温差Δt m 根据传热学原理,平均温差Δt m可按下式计算: Δt m=φ{(Δt max-Δt min)/ ㏑(Δt max/Δt min)} Δt max= t s1- t k1Δt min= t s2- t k2 半导体功率器件的散热设计 摘要：本文主要阐述功率器件的散热原理及加装散热器的必要性，介绍如何正确选用散热器。 关键词：结温；散热器；散热；热阻 Abstrct: This papermainly expounds the necessityandprinciple of powerdevices withheatradiator,introduceshow to choose the rightradiator. Keyword: junction temperature radiator coolingthermalresistance 引言 半导体功率器件是多数电子设备中的关键器件，其工作状态的好坏直接影响整机可靠性。相关实验已经证明，器件工作温度直接影响其自身的可靠性，但是在功率转换电路中，器件自身会消耗一部分能量，这部分能量会转换为热量，使器件的管芯发热、结温升高，当结温超过器件自身规定的允许值时，电流会急剧增大而使晶体管烧毁。要保证结温不超过允许值，就必须将产生的热量有效的散发出去。 要解决散热问题可以从如下两方面入手，一是通过优化设计方式来减少发热量，如采用通态压降低的器件；另一方面是利用传导、对流、辐射的传热原理，将热量快速释放到周围环境中去，以减少热积累，使器件工作温度降低，如采用合适的散热器。 本文主要针对上述第二个方面进行探讨，分别从热设计相关概念、散热过程、正确选用散热器方法以上三个方面进行分析，以实例介绍方法的有效性。 散热过程是一个非常复杂的过程，影响因素较多，本文仅针对关键参数进行介绍，所有计算均为理想计算，与实际情况会存在一定的偏差。 一、热设计相关参数 1.耗散功率 在电路中功率器件自身消耗的功率。 2.热阻 热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力，即1W的热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。 散热器的选型与计算 以7805为例说明问题. 设I=350mA,Vin=12V,则耗散功率Pd=(12V-5V)*0.35A=2.45W 按照TO-220封装的热阻θJA=54℃/W,温升是132℃,设室温25℃,那么将会达到7805的热保护点150℃,7805会断开输出. 正确的设计方法是: 首先确定最高的环境温度,比如60℃,查出7805的最高结温TJMAX=125℃,那么允许的温升是65℃.要求的热阻是65℃/2.45W=26℃/W.再查7805的热阻,TO-220封装的热阻θJA=54℃/W,均高于要求值,都不能使用,所以都必须加散热片,资料里讲到加散热片的时候,应该加上4℃/W的壳到散热片的热阻. 计算散热片应该具有的热阻也很简单,与电阻的并联一样,即54//x=26,x=50℃/W.其实这个值非常大,只要是个散热片即可满足. 散热器的计算: 总热阻RQj-a=(Tjmax-T a)/Pd Tjmax :芯组最大结温150℃ Ta :环境温度85℃ Pd : 芯组最大功耗 Pd=输入功率-输出功率 ={24×0.75+(-24)×(-0.25)}-9.8×0.25×2 =5.5℃/W 总热阻由两部分构成,其一是管芯到环境的热阻RQj-a,其中包括结壳热阻RQj-C和管壳到环境的热阻RQC-a.其二是散热器热阻RQd-a,两者并联构成总热阻.管芯到环境的热阻经查手册知RQj-C=1.0 RQC-a=36 那么散热器热阻RQd-a应<6.4. 散热器热阻RQd-a=[(10/kd)1/2+650/A]C 其中k:导热率铝为2.08 d:散热器厚度cm A:散热器面积cm2 C:修正因子取1 按现有散热器考虑,d=1.0A=17.6×7+17.6×1×13 算得散热器热阻RQd-a=4.1℃/W, 散热器选择及散热计算 目前的电子产品主要采用贴片式封装器件，但大功率器件及一些功率模块仍然有不少用穿孔式封装，这主要是可方便地安装在散热器上，便于散热。进行大功率器件及功率模块的散热计算，其目的是在确定的散热条件下选择合适的散热器，以保证器件或模块安全、可靠地工作。 散热计算 任何器件在工作时都有一定的损耗，大部分的损耗变成热量。小功率器件损耗小，无需散热装置。而大功率器件损耗大，若不采取散 立式散热器简化价格计算方法 一. 散热量Q的计算 1.基本计算公式： Q=S×W×K×4.1868÷3600 （Kw） 式中： ①.Q —金旗舰散热器散热量（KW）=发动机水套发热量×（1.1～ 1.3）②.S —散热器散热面积（㎡）=散热器冷却管的表面积+2×散热带 的表面积。 ③.W —散热器进出水、进出风的算术或对数平均液气温差（℃），设计标准工况分为：60℃、55℃、45℃、35℃、25℃。它们分别对应散热器允许适用的不同环境大气压和自然温度工况条件。④.K —散热系数（Kcal/m.h.℃）。它对应关联为：散热器冷却管、 1. 散热带、钎焊材料选用的热传导性能质量的优劣；冷却管与散热带钎焊接合率的质量水平的优劣；产品内外表面焊接氧化质量水平的优劣；冷却管内水阻值（通水断面积与水流量的对应关联—水与金属的摩擦流体力学），暖气片品牌金旗舰暖气片，一线明星代言，暖通O2O第一品牌，散热带风阻值（散热带波数、波距、百叶窗开窗的翼宽、角度的对应关联—空气与金属的摩擦流体阻力学）质量水平的优劣。总体讲：K值是代表散热器综合质量水平的关键参数，它包容了散热器从经营管理理念、设计、工装设备、物料的选用、采购 供应、制造管理控制全过程的综合质量水平。根据多年的经验以及数据收集，铜软钎焊散热器的K值为：65～95 Kcal/m2.h.℃；改良的簿型双波浪带铜软钎焊散热器的K值为：85～105 Kcal/m2.h.℃；铝 硬钎焊带电子风扇系统的散热器的K值为：120～150 Kcal/m2.h.℃。充分认识了解掌握利用K值的内涵，可科学合理的控制降低散热器的设计和制造成本。暖气片品牌金旗舰暖气片，一线明星代言，暖通O2O第一品牌准确的K值需作散热器风洞试验来获取。 ⑤.4.1868和3600 —均为热能系数单位与热功率单位系数换算值⑥.发动机水套散热量=发动机台架性能检测获取或根据发动机升功 率、气门结构×经验单位系数值来获取。 二、计算程序及方法 1. 散热面积S（㎡） S=冷却管表面积F1+2×散热带表面积F2 F1={ [2×(冷却管宽－冷却管两端园孤半径)]+2π冷却管两端园孤半径}×冷却管有效长度×冷却管根数×10 F2=散热带一个波峰的展开长度×一根散热带的波峰数×散热带的宽度×散 热带的根数×2×10 2. 算术平均液气温差W（℃） W=[(进水温度+出水温度)÷2]-[(进风温度+出风温度)÷2] 常用标准工况散热器W值取60℃，55℃，增强型取45℃，35℃。这要根据散热器在什么工况环境使用条件下来选取。 3. 散热系数K 散热器如何选型及计算 散热器如何选型及计算;【1】散热器基础;1、散热量计量单位的W是什么?;散热器技术性能中的W是热功率计量单位;金属热强度Q(W/KG.℃):是指金属散热器内热;各种散热器的金属热强度比较表;3、什么是散热器的传热系数?;散热器的传热系数K(W/㎡.℃):是指散热器内热;4、散热器的散热过程是什么样的?;当温度较高的热媒在散热器内流过时,热媒所携带的热;1、散热器如何选型及计算【1】散热器基础 1、散热量计量单位的W 是什么? 散热器技术性能中的W 是热功率计量单位。是指每米或每片(柱)散热器在不同工况下每小时的散热量(瓦)。 2、什么是金属热强度?其在工程中的实际意义是什么? 金属热强度Q(W/KG .℃):是指金属散热器内热媒的平均温度与室内空气温度相差1℃时,每公斤质量的金属单位时间所散出的热量. Q值越大,说明散出同样的热量所耗用金属越少.这个指标是衡量散热器节能和经济性的一个指标。 各种散热器的金属热强度比较表 3、什么是散热器的传热系数? 散热器的传热系数K(W/㎡.℃):是指散热器内热媒的平均温度与室内气温相差为1度时,每平方米散热面积所传出的热量.该值与散 热面积的乘积,再乘标准传热温差(64.5℃)就是该散热器的标准散热 量.即Q=K.F.64.5,在散热面积一定的情况下,K值越大,则散热器的 散热量就越大.K值为整个传热过程的综合系数(包括对流传热和辐射传热),与散热器本身的特点和使用条件有关,如水流情况,内外表面 情况等。 4、散热器的散热过程是什么样的? 当温度较高的热媒在散热器内流过时,热媒所携带的热量通过散 热器不断地传给温度较低的室内空气,其散热过程为: 1、金旗舰铜铝复合散热器88/95散热器内的热媒通过对流换热把热量传给散热器内壁面(内表面放热系数) 2、内壁面靠导热把热量传给外壁; 3、外壁靠对流换热把大部分热量传给空气,又靠辐射把一小部分热量传给室内的物体和人. 5、散热器的水容量对采暖的影响如何? 散热器水容量对采暖的影响: 1、散热器的水容量大,采暖系统热惰性比较大,在锅炉间断供热时,水冷却时间稍长一些,采暖房间仍可以保持相当长时间的一定温度. 但再供水时,水升温也比较慢.大水容量的系统调节反映速度较慢.在连续供热时,对供暖质量无影响; 2、散热器的水容量小,启动时间短,温度调节灵敏,居室升温快, 便于分户计量供热,既省钱又方便; 3、热量是靠流动的水携带和运输的,水容量大小对热量无直接影响,只是调节时间有长短分别。 散热、吸热，还是绝热重要？ ________________________________________ 在这儿之前,有一个很重要的问题要问各位,您知道什么是"热"吗?在您选择一项产品之前.您得先知道您用钞票换得手中的宝贝要解决的是什么物理现象,千万别当了冤大头!"热(He at)"是能量吗? 严格来说它不算是能量,应该说是一种传递能量的形式.就好象作功一样.微观来看,就是区域分子受到外界能量冲击后,由能量高的分子传递至能量低的区域分子(就像是一种扩散 效应),必须将能量转嫁释放出来.所以能量的传递,就是热.而大自然界最根本的热产生方式,就是剧烈的摩擦(所谓摩擦生热如是说!).从电子(量子力学)学的角度而言,当电子束滑过电子信道时,会因为与导线(trace)剧烈摩擦而产生热,它形成一股阻力,阻止电子流到达另一端(就像汽车煞车的效果是一样的).我们统称作"废热". 所以当CPU的速度越高,表示它的I/O(Inp ut/Output)数越高,线路布局越复杂.就好比一块同样面积的土地上.您不断的增加道路面积; 不断的膨胀车流量,下场是道路越来越窄,而车子越来越多,不踩煞车,能不出车祸吗?当然热 量越来越高.信不信,冷飕飕的冬天,关在房里打计算机,你会爱死它,又有得杀时间,又暖和!只是不巧,炎炎夏日又悄悄的接近了…… "传热(Heat Transfer)":既然说热是一种传递能量的形式.那就不能不谈传递的方法了.总的来说整个大自然界能量传递的方式被我们聪明的老祖先(请记住.热力学Thermal Dynami c是古典力学的一种!)概分为三种,接下来我用最浅显易懂的方式分别介绍这门神功的三大基本奥义让各位知道: 1.)热传导(Conduction) 物质本身或当物质与物质接触时,能量传递的最基本形式(这里所说的物质包括气体,液体,与固体).当然气体与液体(我们统称为流体)本身因为结构不似固体紧密.我们又有另外一个专有名词来形容它,叫做热扩散(Diffusion).若诸位看官真有兴趣的话,不妨把下面的公式熟记,对以后您专业素养的养成,抑或是将来更深入的技术,探讨彼此的沟通都非常有帮助(这可是入门的第一招式,千万别放弃您当专业消费者的权益了!).另外,为了避免您一开始走火入魔,请容我先将所有的单位(Unit)都拿掉. Q = K*A*ΔT/ΔL 其中Q为热量;就是热传导所能带走的热量. K为材料的热传导系数值(Conductivity);请记住,它代表材料的热传导特性,就像是出生证明一样.若是纯铜,就是396.4;若是纯铝,就是240;而我们都是人,所以我们的皮肤是0.38,记住! 数值越高,代表传热越好.(详细的材料表我将于日后择篇幅再补述!) A代表传热的面积(或是两物体的接触面积.) ΔT代表两端的温度差;ΔL则是两端的距离. 让我们来看一下图标,更加深您的印象! 热传导后温度分布 铜材的导热系数高,经过热传导后,温度在铜材中分布就非常均匀,相反的,木材的导热系数偏低,于是相同的传导距离,木材的温度分布就明显的不均匀(温度颜色衰减的非常快;表示热量传导性不良.) 从上述的第一招式我们可以知道.热传导的热传量.跟传导系数,接触面积成正比关系(越大,则传热越好!)而跟厚度(距离)成反比.好,有了这个观念,现在让我们把焦点转到散热片身上,当散热片与热源接触,我们需要的是"吸热",能够大量的把热吸走,越多越好.各位可以到市面上看看最近有一些散热片的底部会加一块铜板不是吗?或甚至干脆用铜当散热片底板.就是 冀州市冀暖北方暖气片厂 本标准参照采用国际标准ISO3147—1975（E）《热交换器—供水或蒸汽主环路的热平衡实验原理和试验方法》、ISO3148—1975《用空气冷却闭式小室确定辐射散热器、对流散热器和类似设备散热量的试验方法》、ISO3149—1975《用液体冷却闭式小室确定辐射散热器、对流散热器和类似设备散热量的试验方法》、ISO3150—1975（E）《辐射散热器、对流散热器和类似设备—散热量计算和结果的表达式》。 1、主题内容与适用范围本标准规定了在闭式小室内测试采暖散热器（简称散热器,暖气片）单位时间散热量（简称散热量）的原理、装置、方法、要求和数据的整理。本标准适用于以热水或蒸汽为热媒的采暖散热器。 2、术语 2.1辐射散热器在采暖散热器中，部分靠辐射放热的称辐射散热器。 2.2对流散热器在采暖散热器中，几乎完全靠自然对流放热的称对流散热器。 3、测试原理 3.1散热器的散热量散热器的散热量应由下式求得：Q=Gp(h1—h2) 式中：Q——散热器的散热量，W；Gp——热媒的平均流量，Kg/s；h1——散热器进口处热媒的焓，J/Kg；h2——散热器出口处热媒的焓，J/Kg。注：h1、h2 的数值系根据被测散热器进出口热媒的温度和压力，由中国建筑工业出版社1987年第一版《供暖通风设计手册》中查得。 3.2热媒参数的测量3.2.1热媒为热水时，当热水温度低于大气压力下水的沸点温度时，应测量散热器进口和出口处的水温，或测量其中一处水温及散热器进出口的热水温差；当热水温度高于大气压力下水的沸点温度时，则应测量散热器进口和出口处的水温和压力，或测量其中一处水温及散热器进出口的热水温差和压力差。3.2.2热媒为蒸汽时，应测量散热器进出口处蒸汽的压力和温度，散热器进口处的蒸汽应有2～5℃的过热度，测试时被测散热器流出的应仅为凝结水，凝结水温度与散热器进口处蒸汽压力下饱和温度之差不得超过1℃。3.2.3热媒温度系指散热器进出口处的温度。如不可能在该处测量时，则测温点与散热器进（出）口之间的距离不得大于0.3m。应对这段管道严格保温，并在计算散热量时减去这部分散热量。保温层应延伸到测温点之外0.3m以上。3.2.4热媒参数测量的准确度应符合以下要求：流量：±0.5% 温度：±0.1℃压力（绝对）：±1％压差：当压差大于1KPa时±5% 当压差小于1KPa时±0.05%KPa 4、测试装置和要求 4.1测试装置测试装置应包括：a、安装被测散热器的闭式小室；b、小室六个壁面外的循环空气或水夹层；c、冷却夹层内循环空气或水的设备d、供给被测散热器能量的热媒循环系统。此系统应符合本标准的要求；e、检测和控制的仪表及设备。 4.2闭式小室的要求4.2.1小室内部的净尺寸应为：地面：(4±0.2m)×(4±0.2m) 高度：2.8±0.2m 4.2.2小室在任何情况下应为气密的。4.2.3小室的内表面应涂不含金属涂料的油漆。4.2.4小室采用空气冷却时，其构造应符合下列要求：4.2.4.1小室周围应设夹层，夹层内应维持稳定的温度环境。4.2.4.2小室的四壁、门、窗（若采用）、屋顶和地面的热阻偏差应在20%以内。4.2.4.3小室门应直接对着夹层外门。夹层外门必须气密，并宜具有和夹层墙相同的热阻。4.2.4.4夹层外围护层的墙、屋顶和地面总热阻应大于或等于1.73m3.K/W。4.2.4.5夹层内由可控温的送回风系统形成的循环空气，使小室的六个面得到均匀冷却。夹层的宽度宜为0.5m（不得小于0.3m）；夹层内冷却空气的平均速度宜为0.1～0.5m/s。4.2.5采用水冷却时，小室的构造应符合下列要求：4.2. 5.1冷却水的循环方式应使小室表面温度均匀。4.2.5.2安装被测散热器的墙壁内表面，应在整个宽度离地面1.25m的高度内贴以保温板，保温板的厚度宜为6mm，其热阻应为0.05±0.05m2.K/W。板的外表面若刷油漆，应采用不含金属涂料的油漆。4.2.5.3冷却水的总流量应不小于6000Kg/h，每面墙的水流量应可分别控制。 5、闭式小室内各参数的测试及准确度 5.1小室内的空气温度小室内的空气温度应采用屏蔽的敏感元件在下列各点进行测量。5.1.1在内部空间的中心垂直轴线上a.基准点离地面0.75m高，准确到±0.1℃；b.离地面0.05、0.50、1.50m；距屋顶0.05m的四点，准确到±0.2℃。 5.1.2在每条距两面相邻墙1.0m处的垂直线上，离地面0.75、1.50m高的两点（共八点），准确到±0.2℃。} 5.2小室内表面温度小室的内表面温度应在下列各点进行测量：a.六个内表面的中心点，准确到±0.2℃；b.安装被测散热器的墙壁内表面的垂直中心线上，距地面0.30m的点，准确到±0.2℃。 5.3其他参数的测量除5.1和5.2所规定的各点外，还应测量下列参数；a.小室内空气的相对湿度；b.采用空气冷却时夹层内的空气温度，准确到±0.5℃； c.采用水冷却时，冷却系统入口处的水温准确到±0.2℃； d.大气压力，准确到±0.1KPa。 新型电力电子器件 电力电子器件（Power Electronic Device）又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)电子器件。又称功率电子器件。20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。 各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。功率二极管是二端(阴极和阳极)器件，其器件电流由伏安特性决定，除了改变加在二端间的电压外，无法控制其阳极电流，故称不可控器件。普通晶闸管是三端器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断，称半控型器件。可关断晶闸管、功率晶体管等器件，其门极信号既能控制器件的导通，又能控制其关断，称全控型器件。后两类器件控制灵活，电路简单，开关速度快，广泛应用于整流、逆变、斩波电路中，是电动机调速、发电机励磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。这些器件构成装置不仅体积小、工作可靠，而且节能效果十分明显(一般可节电10%～40%)。 单个电力电子器件能承受的正、反向电压是一定的，能通过的电流大小也是一定的。因此，由单个电力电子器件组成的电力电子装置容量受到限制。所以，在实用中多用几个电力电子器件串联或并联形成组件，其耐压和通流的能力可以成倍地提高，从而可极大地增加电力电子装置的容量。器件串联时，希望各元件能承受同样的正、反向电压；并联时则希望各元件能分担同样的电流。但由于器件的个异性，串、并联时，各器件并不能完全均匀地分担电压和电流。所以，在电力电子器件串联时，要采取均压措施；在并联时，要采取均流措施。 电力电子器件工作时，会因功率损耗引起器件发热、升温。器件温度过高将缩短寿命，甚至烧毁，这是限制电力电子器件电流、电压容量的主要原因。为此，必须考虑器件的冷却问题。常用冷却方式有自冷式、风冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸发冷却式等。 1. 超大功率晶闸管 晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV / 4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV / 4kA和6kV / 6kA的光触发晶闸管（LTT）。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，（由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC、静止无功补偿（SVC）、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。 现在，许多生产商可提供额定开关功率36MVA （6kV/ 6kA ）用的高压大电流GTO。传统GTO的典型的关断增量仅为3~5。GTO关断期间的不均匀性引起的"挤流效应"使其在关断期间dv/dt必须限制在500~1kV/μs。为此，人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路。另外它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管，这些突出的优点仍使人们对GTO感到兴趣。到目前为止，在高压（VBR>3.3kV）、大功率（0.5~20 MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6in、6kV / 6kA以及9kV/10kA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需 电源功率器件散热器计算 一、7805 设计事例 设I=350mA，Vin=12V，则耗散功率 Pd=(12V-5V)*0.35A=2.45W。按照TO-220 封装的热阻θJA=54℃/W，温升是132℃，设室温25℃，那么 将会达到7805 的 热保护点150℃，7805 会断开输出。 二、正确的设计方法是： 首先确定最高的环境温度，比如60℃，查出民品7805 的最高结 温 Tj(max)=125℃，那么允许的温升是65℃。要求的热阻是 65℃/2.45W=26℃/W。 再查7805 的热阻，TO-220 封装的热阻θJA=54℃/W， TO-3 封装（也就是大家说的“铁壳”）的热阻θJA=39℃/W，均 高于要求值，都不能使用（虽然达不到热保护点，但是超指标使用还 是不对的）,所以不论那种封装都必须加散热片。资料里讲到加散热片 的时候，应该加上4℃/W 的壳到散热片的热阻。 计算散热片应该具有的热阻也很简单，与电阻的并联一样，即 54//x=26， x=50℃/W。其实这个值非常大，只要是个散热片即可满足。 三、散热片尺寸设计 散热片计算很麻烦的，而且是半经验性的，或说是人家的实测结果。 基本的计算方法是: 1.最大总热阻θja ＝（器件芯的最高允许温度TJ －最高环境 温度 TA ）/ 最大耗散功率 其中，对硅半导体，TJ 可高到125℃，但一般不应取那么高，温度太高会降 低可靠性和寿命。 最高环境温度TA 是使用中机箱内的温度，比气温会高。 最大耗散功率见器件手册。 2.总热阻θja＝芯到壳的热阻θjc ＋壳到散热片的θcs ＋散热片到环 境的θsa 其中，θjc 在大功率器件的DateSheet 中都有，例如3---5 θcs对TO220 封装，用2 左右，对TO3 封装，用3 左右，加导热硅脂后， 该值会小一点，加云母绝缘后，该值会大一点。 散热片到环境的热阻θsa 跟散热片的材料、表面积、厚度都有关系，作为 参考，给出一组数据例子。 a.对于厚2mm 的铝板，表面积（平方厘米）和热阻（℃/W）的对应关系是： 中间的数据可以估计了。 集成门极换流晶闸管（IGCT） 1.电力电子器件发展 电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“机车’’。现代电力电子技术无论对改造传统-t-业(电力机械、矿冶、交通、化工、轻纺等)，还是对高新技术产业(航天、激光、通信、机器人等)都至关重要，它已迅速发展成为一门独立学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，毫无疑问，它将成为21世纪重要关键技术之一。 电力电子器件是现代电力电子设备的核心。它们以开关阵列的形式应用于电力变流器中，把相同频率或者不同频率的电能进行交流—直流(整流器)，直流一直流(斩波器)，直流一交流(逆变器)和交流一交流(变频器)变换。这种开关模式的电力电子变换在与国民经济发展密切相关的关键科学技术中有着重要的应用。首先，在节能和环保方面，电力电子变换在能源能量转换和能量输配过程中具有很高的效率，如果用很好的电力电子技术去转换，人类至少可节省约1／3的能源，而未来电力能源中的80％要经过电力电子设备的转换。其次，在信息和通信技术中，通过开关模式的电力电子变化可以为计算机与通信设备提供稳定的可靠的电源。此外，在交通运输中，电动汽车和电力机车的都和电力电子变换密切相关。 “一代器件决定一代电力电子技术。’’现代电力电子技术基本上是随着电力电子器件的发展而发展起来的。从1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。80年代末期和90年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的20％'-'--30％，但是，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分重要的作用。因此对电力电子器件进行深入的研究和应用是非常重要的。 现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化方向发展。另外，电力电子模块化是电力电子向高功率密度发展的重要的一步。本文中提到的IGCT就是一种用于中大型电力电子设备中的新型大功率电力电子器件。它的应用使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃. 1.1 整流管 整流管是电力电子器件中结构最简单、应用最广泛的一种器件。目前主要有普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管三种类型。电力整流管在改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面发挥着非常重要的作用。目前，人们已通过新颖结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管的优点于一体的具有MPS、SPEED和SSD等结构的新型高压快恢复整流管。它们的通态压降为IV左右，反向恢复时间为PIN 整流管的1/2，反向恢复峰值电流为PIN整流管的1/3。 Analysis of G eometric F actors on E ffect Upon the C apability of H eat Sink of Pow er Component FU Gui2cui,G AO Ze2xi (Beijing Univer sity o f Aeronautics and Astronautics,Dept.o f Systems Engineering,Beijing100083,China) Abstract: Heat sink consist of base and fin,the main parameters include the length of fin,the thickness of fin,the thickness of base and the width of base.Introduces the geometric structure of heat sink and researches on the geometric factors effecting the capability of heat sink.Investigate that thermal resistance can be lowered effectively by changing the geometric parameters of heat sink and get better effect.Provides the gist for the choice and the optimization of heat sink. K ey w ords: power com ponent;thermal design;heat sink;thermal resistance EEACC: 8550 影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析 ① 付桂翠,高泽溪 (北京航空航天大学,工程系统工程系,北京 100083) 摘要:型材散热器的几何结构由肋片和基座构成,主要几何参数包括肋片长、肋片厚,肋片数、基座厚、基座宽等,研究了型材散热器几何因素对其热性能的影响,通过改变散热器的几何参数,可以有效的降低散热器的热阻,获得好的散热效果。本文的研究为型材散热器的的选择及优化设计提供了依据。 关键词:功率器件;热设计;散热器;热阻 中图分类号:T N305194;T N609 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2003)04-0354-03 功率器件是多数电子设备中的关键器件,其工作状态的好坏直接影响整机可靠性。功率器件尤其是大功率器件发热量大,仅靠封装外壳散热无法满足散热要求,需要配置合理散热器有效散热,而散热器的选择是否合理又直接影响功率器件的可靠性,因此分析影响散热器散热性能的因素,有利于合理选取散热器,提高功率器件的可靠性[1]。 1 散热器的选择 在电子设备热设计中,型材散热器由于结构简单,加工方便、散热效果好而得到了广泛的应用,其物理模型示意图如图1所示[2]。 它由肋片和基座构成,主要的几何参数包括肋片长、肋片厚,肋片数、基座厚、基座宽等。在选择散热器时一般需要依据散热器热阻来合理选择,同时还需要考虑以下几点:安装散热器允许的空间、气流流量和散热器的成本等。散热器散热的效果与散热器热阻的大小密切相关,而散热器的热阻除了与散热器材料有关之外,还与散热器的形状、尺寸大小以及安装方式和环境通风条件等有关,目前没有精确的数学表达式能够用来计算散热器的热阻,通常是通过实际测量得到。而散热器的有效面积与散热器几何参数密切相关[3]。 第26卷第4期2003年12月 电 子 器 件 Chinese Journal of E lectron Devices V ol.26,N o.4 Dec.2003 ①收稿日期:2003-07-01 作者简介:付桂翠(1968-),女,副教授,现主要从事可靠性工程,电子设备热设计技术研究工作,曾在国内外核心刊物上发 表论文十余篇,fuguicui@https://www.doczj.com/doc/799992902.html,或fuguicui@https://www.doczj.com/doc/799992902.html,; 高泽溪(1940-),男,教授,主要从事可靠性工程、电子设备热设计技术研究,获国防科工委、航空工业部科技进 步奖多次,在国内外核心刊物上发表论文数十篇. 壁挂散热器价格简化设计计算方法 一. 金旗舰散热量Q的计算 1.基本计算公式： Q=S×W×K×4.1868÷3600 （Kw） 式中： ①.Q —散热器散热量（KW）=发动机水套发热量×（1.1～1.3） ②.S —散热器散热面积（㎡）=散热器冷却管的表面积+2×散热带 的表面积。 ③.W —散热器进出水、进出风的算术或对数平均液气温差（℃）， 设计标准工况分为：60℃、55℃、45℃、35℃、25℃。它们分别对应散热器允许适用的不同环境大气压和自然温度工况条件。④.K —散热系数（Kcal/m.h.℃）。它对应关联为：散热器冷却管、散热带、钎焊材料选用的热传导性能质量的优劣；冷却管与散热带钎焊接合率的质量水平的优劣；产品内外表面焊接氧化质量水平的优劣；冷却管内水阻值（通水断面积与水流量的对应关联—水与金属的摩擦流体力学），散热带风阻值（散热带波数、波距、百叶窗开窗的翼宽、角度的对应关联—空气与金属的摩擦流体阻力学）质量水平的优劣。总体讲：K值是代表散热器综合质量水平的关键参数，它包容了散热器从经营管理理念、设计、工装设备、物料的选用、采购供应、制造管理控制全过程的综合质量水平。根据多年的经验以及 数据收集，铜软钎焊散热器的K值为：65～95 Kcal/m2.h.℃；改良的簿型双波浪带铜软钎焊散热器的K值为：85～105 Kcal/m2.h.℃；铝硬钎焊带电子风扇系统的散热器的K值为：120～150 Kcal/m2.h.℃。充分认识了解掌握利用K值的内涵，可科学合理的控制降低散热器的设计和制造成本。准确的K值需作散热器风洞试验来获取。 ⑤.4.1868和3600 —均为热能系数单位与热功率单位系数换算值⑥.发动机水套散热量=发动机台架性能检测获取或根据发动机升功 率、气门结构×经验单位系数值来获取。 二、计算程序及方法 1. 散热面积S（㎡） S=冷却管表面积F1+2×散热带表面积F2 F1={ [2×(冷却管宽－冷却管两端园孤半径)]+2π冷却管两端园孤半径}×冷却管有效长度×冷却管根数×10 F2=散热带一个波峰的展开长度×一根散热带的波峰数×散热带的 宽度×散热带的根数×2×10 2. 算术平均液气温差W（℃） W=[(进水温度+出水温度)÷2]-[(进风温度+出风温度)÷2] 常用标准工况散热器W值取60℃，55℃，增强型取45℃，35℃。这要根据散热器在什么工况环境使用条件下来选取。 3. 散热系数K 电力电子器件的最新发展趋势 现代的电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对新建高技术产业（航天、激光、通信、机器人等）至关重要，从而已迅速发展成为一门独立学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，毫无疑问，它将成为本世纪乃至下世纪重要关键技术之一。近几年西方发达的国家，尽管总体经济的增长速度较慢，电力电子技术仍一直保持着每年百分之十几的高速增长。 从历史上看，每一代新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的20%～30%，但是，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分重要的作用。 众所周知，一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在截止状态时能承受高电压；在导通状态时，具有大电流和很低的压降；在开关转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和dv/dt，以及具有全控功能。 自从50年代，硅晶闸管问世以后，20多年来，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈的努力，并已取得了使世人瞩目的成就。60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到1kHz以上。70年代中期，高功率晶体管和功率MOSFET问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。80年代，绝缘栅门控双极型晶体管(IGBT) 问世，它综合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。它的迅速发展，又激励了人们对综合功率MOSFET和晶闸管两者功能的新型功率器件- MOSFET门控晶闸管的研究。因此，当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有功率器件的性能改进、MOS门控晶闸管以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。下面就近几年来上述功率器件的最新发展加以综述。 一、功率晶闸管的最新发展 1．超大功率晶闸管 晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产8kV / 4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV / 4kA和6kV / 6kA的光触发晶闸管(LTT)。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC、静止无功补偿（SVC）、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。 现在，许多生产商可提供额定开关功率36MVA ( 6kV/ 6kA )用的高压大电流GTO。传统GTO的典型的关断增量仅为3～5。GTO关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使其在关断期间dv/dt必须限制在500～1kV/μs。为此，人们不得不使用体积大、昂贵的吸收电路。另外它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管，这些突出的优点仍使人们对GTO感到兴趣。到目前为止，在高压（VBR > 3.3kV )、大功率（0.5～20 MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6in、6kV / 6kA以及9kV/10kA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功功率器件热管散热器介绍
暖气片如何选型及计算
蒸汽散热器选型计算书
车用散热器散热面积的计算
半导体功率器件的散热设计
散热器的选型与计算
散热器简化计算方法
散热器如何选型及计算
设备散热器、风扇的选型和设计计算
散热器的散热量计算
电力电子器件
电源功率器件散热器计算
IGCT大功率器件
影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析
散热器简化设计计算方法
电力电子器件的最新发展趋势
相关主题
文本预览