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大功率晶体管和集成电路的热过程分析

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大功率晶体管和集成电路的热过程分析

蔡建国(武汉职业技术学院机械系,湖北武汉430074)

    [摘    要]本文从分析晶体管的热过程入手,得出了晶体管的热阻R;与最大允许    集电极耗散功率P。的关系式。再通过对晶体管散热途径的分析及前面所得的关系式,得出了大功率晶体管及集成电路为什么要安装散热器。这种分析方法逻辑合理,过程清楚,理论充分,这种分析方法以前是没有的。
 
  [关键词]晶体管;集成电路;散热器
    中图分类号:TN43    文献标识码:A
    能量既不能创造也不能消失,只能从一种形式转化为另一种形式。在现代电子设备中,由于电子元器件的效率较低,输入的电能除一部分做有用功外,还有相当一部分做无用功。这部分能量转化成了热能,使电子设备的元器件及机壳发热。如不能有效散去这些热能,就会使这些元器件、设备性能变坏,可靠性降低甚至不能工作。事实上电子设备的故障很大一部分是由于元器件温度过高而引起的。
例如电真空器件的损失有90%是由于温度过高引起的。所似散热问题是电子设备很重要的一个问题。电子设备的散热分两个方面,一个是元器件本身的热量如何散走,另一个是电子设备的热量如何散走。从散热的方法上来看常用的有自然散热、强迫风冷、液体冷却、热管冷却、蒸发冷却、半导体致冷、静电致冷等。散热器致冷属于自然散热范围。
  晶体管和集成电路的散热方式根据其使用功率或热流密度的大小而不同。当晶体管的使用功率小于lOOmw或集成电路的热流密度小于0.6w/cm2时一般不加散热器,主要靠其外壳及本身引线的对流辐射和传导散热,这类情况比较简单。当晶体管使用功率大于lw或集成电路的热流密度大于0.6w/cm/时,则采取散热器散热。本文主要讨论这种情况,并且以晶体管为主讨论,其方法对集成电路也适用。当晶体管使用功率在lOOmw到lw之间时,属过渡状态,散热方式视具体条件而定。如散热环境良好,则可利用自身散热,否则利用散热器散热。
    一、晶体管工作的热过程分析
    用P。表示晶体管的集电极耗散功率,单位为瓦。它等于管子所加电压VCE和通过管子集电极的电流I。的乘积。由于Pe的存在会在集电结上产生热量使集电结的结温Tj逐渐升高。用T。表示晶体管周围的环境温度,用R。表示从集电结向管壳外的环境散热的阻力大小,该阻力即热阻。用Q表示集电结向环境散热的能力,单位也为瓦。

 

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