就電力電子產(chǎn)品散熱器的材質(zhì)來說,每種材質(zhì)的導(dǎo)熱性能不同?按導(dǎo)熱性能從高到底排序,分別是銀?銅?鋁?鋼?銀的單價最貴,用銀做散熱器會非常昂貴,不可取;從材質(zhì)成本上鋁相對銅便宜很多,且密度僅為銅的三分之一,但其導(dǎo)熱性能約為銅的50%多,不如銅好;最優(yōu)方案是采用銅材質(zhì)?銅散熱器的優(yōu)點是導(dǎo)熱性好,但價格較貴?加工難度較高?密度較大?熱容量較小且易被氧化?而使用純鋁又太軟,不能直接使用,于是呈現(xiàn)鋁合金材質(zhì),因為鋁合金能提供足夠的硬度,鋁合金的優(yōu)點是價格低廉?重量輕,缺點是導(dǎo)熱性比銅差近一半?綜合來看,散熱器常用材質(zhì)選銅和鋁合金,兩者各有優(yōu)缺點,單在鋁合金散熱器不能滿足散熱需求的時候,就在鋁合金散熱器底座上嵌入一片銅板?

 

從制造工藝來分類,分為鋁擠型散熱器?嵌銅鋁擠型散熱器?鏟齒型散熱器?插齒型散熱器;從制造技術(shù)來分類,分為攪拌摩擦焊鋁劑拼接式散熱器?熱管鋁擠型散熱器?簡單流道型的水冷板散熱器?復(fù)雜流道型的水冷板散熱器?

 

從散熱器的成本上來看,鋁擠型散熱器成本最低,但受限于擠型模具,其長度和高度不能再變化,難以滿足多變場合?為迎合市場,出現(xiàn)了1種攪拌摩擦焊技術(shù),就是攪拌摩擦焊拼接式鋁劑散熱器,其高度不變,長度和寬度可以根據(jù)需求變化,其散熱能力有所提高,成本在鋁劑的基礎(chǔ)上稍有增加;從另一個角度看,插齒散熱器(基板上開槽,插入齒片,擠刀施力使基板變形,鉚緊齒片在基板上)的齒片厚度可以是0.6~2.0mm,齒片高度最大可以達(dá)110.0mm,齒間距最小可以做到2.0mm,這是鋁擠型散熱器難以滿足的,其成本和鋁劑散熱器差不多?優(yōu)點是長度?寬度和高度有可調(diào)范圍,缺點是基板和齒片結(jié)合處有熱阻?

 

從散熱功效看,熱管散熱器和水冷板散熱器的散熱能力都比鋁劑散熱器強(qiáng)得多,用于鋁劑散熱器強(qiáng)制風(fēng)冷,無法滿足高功率發(fā)熱器件場合,但其加工成本也偏高,而水冷板散熱器需要額外水冷系統(tǒng),成本更高,適用在高IP等級?小體積?低噪聲?熱管散熱器不能滿足的場所?

熱路:是指由熱源出發(fā),向外傳播熱量的路徑?在每1個路徑上,必定經(jīng)過不同的介質(zhì)?其熱路中任意兩點之間的溫度差,都等于器件的功率乘以熱阻,像電路中的歐姆定律,與電路等效?

 

熱阻:指的是當(dāng)有熱量在物體上傳輸時,在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值,即R=(Tb-Ta)/P?熱阻由3部分熱阻疊加:①芯片到器件外殼的熱阻;②器件外殼到散熱器的熱阻;③散熱器到周圍介質(zhì)的熱阻R?第1項由器件制造商設(shè)計制造決定,第2項很小,設(shè)計時只需考慮第3項?為便于表述,以風(fēng)冷為例,在風(fēng)冷條件下,熱阻R由散熱器材質(zhì)的熱導(dǎo)率?散熱器與空氣接觸面面積?風(fēng)速這3個因素決定?在實際應(yīng)用中并不是“越大越好”,而是根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計和合理選用,否則脫離實際,造成成本上升或體積變大?圖1是電力電子器件與散熱器結(jié)構(gòu)圖?

 

 

 

圖1：電子電子器件與散熱器結(jié)構(gòu)

 

(1) 器件結(jié)溫與環(huán)溫溫差(簡稱結(jié)溫差)ΔTja?找出器件芯片最高溫度Tj,比如環(huán)境溫度Ta取40℃,設(shè)計余量為85%,即可算出器件的結(jié)溫差ΔTja=Tj×85%−Ta?

 

(2) 器件芯片到外殼的溫差ΔTjc?查制造商器件的技術(shù)參數(shù),算出芯片到器件外殼的溫差ΔTjc=Tj-Tc=P×Rjc?

 

(3) 器件到散熱器的溫差ΔTcs?因器件與散熱器固定的平面是不平的,需涂抹導(dǎo)熱硅脂填平不平處來減少接觸熱阻,使得兩者間的溫差較小ΔTcs=Tc−Ts?

 

(4) 散熱器到環(huán)境溫度溫差ΔTsa?由公式ΔTja=ΔTjc+ΔTcs+ΔTsa,從而得出ΔTsa=ΔTja−(ΔTjc+ΔTcs)?

 

(5) 求散熱器的熱阻Rsa?由ΔTsa=(Ts−Ta),通過公式Rsa=(Ts−Ta)/P=ΔTsa/P,即可求得散熱器所需的熱阻值?散熱器選取時,選熱阻等于或小于這個熱阻值即可滿足需要?

 

圖2為總熱阻示意圖,同電阻電路等效,由于Rca?Rcs+Rsa,所以在選擇有散熱器時,總熱阻可近似表示為RT≈Rjc+Rcs+Rsa,簡化后總熱阻示意圖如圖3所示?

 

 

圖2：總熱阻

 

 

圖3：簡化后總熱阻

 

導(dǎo)熱率:又稱導(dǎo)熱系數(shù)或熱導(dǎo)率,是指當(dāng)溫度垂直向下梯度為1℃/m時,單位時間內(nèi)通過單位水平截面?zhèn)鬟f的熱量?導(dǎo)熱率是材料本身的固有性能參數(shù),用于描述材料的導(dǎo)熱能力?它跟材料本身的大小?形狀?厚度都沒關(guān)系,只跟材料本身的成分有關(guān),常用材料導(dǎo)熱率參考表見表1?

 

 

表1：常用材料導(dǎo)熱率參考表

 

從眾多參數(shù)看,散熱器熱阻是選擇散熱器的主要依據(jù)?結(jié)合應(yīng)用場合,按照散熱器的工作條件(自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷)計算熱阻和器件功率,通過散熱器廠商提供的散熱器特性曲線,曲線上查出的值小于計算值;再通過測試驗證,選取比較經(jīng)濟(jì)合理的散熱器?

 

以FAIRCHILDTO-247封裝IGBTFGH75T65SHD為例,計算所需散熱器的熱阻?IGBT最大結(jié)溫Tj=175℃,設(shè)在案例中使用功耗為28W,芯片到外殼的熱阻最大為0.65℃/W,環(huán)境溫度為50℃?

 

(1) 考慮設(shè)計余量,結(jié)溫按125℃,則結(jié)溫差ΔTja=Tj−Ta=125−50=75℃?

 

(2) IGBT芯片到器件外殼的溫差ΔTjc=Tj−Tc=P×Rjc=28×0.65=18.2℃?

 

(3) 器件到散熱器的溫差ΔTcs,因IGBT和散熱器之間要絕緣,加云母片,熱阻可以達(dá)1℃/W,ΔTcs=28℃?

 

(4) 散熱器到環(huán)境溫度溫差ΔTsa=ΔTja−(ΔTjc+ΔTcs)=75−18.2−28=28.8℃?

 

(5) 散熱器的熱阻Rsa=ΔTsa/P=28.8/28=1.0286℃/W?

 

根據(jù)散熱器廠商的特性曲線,選擇一款熱阻小于1.0286℃/W散熱器滿足案例?但僅僅通過簡單計算熱阻確定選擇散熱器是不夠的,還必須綜合考慮IGBT器件在模型中的熱量擴(kuò)散?冷卻方式?空間限制?安裝位置等因素?

 

散熱器設(shè)計主要工作就是根據(jù)產(chǎn)品總損耗功率P,設(shè)計一款適合熱阻的散熱方式,選擇一款適宜的散熱器,保證器件工作時芯片的溫度不要高于器件的額定結(jié)溫Tj?需先根據(jù)選定電力電子器件的額定參數(shù)和工作特性,計算器件工作狀況下,工作結(jié)溫不超過元器件額定值時的接觸熱阻和散熱器的熱阻,合理選用和安裝散熱器?散熱器的設(shè)計對于不同的功率器件,其方式雷同,只是不同功率器件的功率和總損耗功率不同?

 

首先確定要散熱的電力電子器件,明確其工作參數(shù)?工作條件?尺寸大小?安裝方式,選散熱器的底板大小比元器件安裝面略大一些即可,因為安裝空間的限制,散熱器主要依靠與空氣對流散熱,超出與器件接觸面的散熱器,其散熱效果隨著與器件距離的增加而遞減?

 

其次選擇合適的散熱器還要考慮環(huán)境因素?散熱器與功率器件的匹配情況以及整個電力電子設(shè)備的大小?重量等因素?

 

再次分析和計算熱路,由于影響因素較為復(fù)雜,可以忽略影響小的參數(shù),簡化計算,但要注意影響趨勢的方向,是有利于傳熱的,可作為設(shè)計余量儲備,因影響小,不會影響經(jīng)濟(jì)性?

 

最后理論計算是設(shè)計指導(dǎo),結(jié)果以試驗結(jié)論判定,埋點測溫是最有效的驗證方式,理論計算結(jié)合實際實驗,最終設(shè)計出一款經(jīng)濟(jì)?合理?可靠的散熱器?

 

（來源：流體測量與控制）