大功率器件的散热设计

       随着电子技术的不断发展,大功率器件的发热功耗越来越大、热流密度不断增加。产品散热设计对产品的可靠性有着至关重要的影响。

       随着电子技术的不断发展,大功率器件的发热功耗越来越大、热流密度不断增加。产品散热设计对产品的可靠性有着至关重要的影响。要对大功率器件进行良好的散热设计,首先要了解功率器件的热性能指标,然后通过选择合适的散热方式,正确的风道设计以及对散热器进行必要的优化分析，最后规范、正确的安装散热器使器件达到最佳的散热效果。

1、器件的热性能参数

       器件厂家会提供器件的焊接温度、封装形式、工作温度范围、器件结点温度限制、内部热阻等信息，这是参数是进行散热设计的基础和前提。下面对一些常用热参数逐一说明：

       TDP—器件热耗散功耗，单位W（瓦），表示器件实际发热量的大小

       T_c–器件壳体温度，单位℃

       T_j–结点温度，单位℃。随着结点温度的提高，半导体器件性能将会下降。结点温度超过最大限制，器件寿命极度下降甚至烧毁。这是进行热设计关注的焦点。

       T_a–环境温度，单位℃

       R_ja–结点到环境的热阻，单位℃/W

       R_jc–结点到器件壳的热阻，单位℃/W

       归根到底，热设计主要任务是要满足： Tj< Tj(max)并留有适当的余量（通常要保证有10%以上余量）。

       T_j(max)=P* R_jc+ T_c(max)

       T_c(max)即器件表面的最高温度，很显然散热设计越成功，T_c(max)就会越低。

2、散热方式的选择

       系统散热方式的选择应充分考虑系统的发热功耗，温度/体积/重量要求，防护等级，散热装置的可操作性，价格等诸多因素，最终选择最适合自己产品的、有效的散热方式。 散热主要分为：自然散热、强迫风冷。液体冷却等。目前普遍采用的散热方式仍然是风冷。下表反映了不同散热方式状况下热流密度与温升的关系。

       自然散热：通过空气的自然对流将热量带到周围空间。这种散热方式可以用在发热功率不大，重量，温度等要求不高的场合。优点：结构简单、无噪音、价格低廉。

       强迫风冷：对于发热功耗大的器件，选用强迫风冷是很必要的，尤其配合一些高效能的散热器可以达到理想的散热效果。因为强迫风冷换热效率高，一般是自然散热方式的数倍。优点：散热效率高，产品重量可被大幅度降低。

3、风机选型以及风道设计

       如果系统采用强迫风冷的散热方式，选择合适的散热风机直接决定了系统散热状况。要进行风机选型，首先需要确定系统所需要的散热风量，通过下面的公式计算：

其中∆T表示了系统进/出风口的温度差。

       风机的选型要结合系统风量需求、系统阻力、风扇特性曲线等要求进行综合评估确认。

       强迫风冷系统风道的实际很关键，风道一般分为送风和抽风两种方式，这两种方式的优缺点分别是：

送风方式：

       A、风扇出口附近气流主要为紊流流动，局部换热强烈，宜用于发热器件比较集中的情况，此时必须将风扇的主要出风口对准集中的发热元件

       B、吹风时将在设备内形成正压，可以防止缝隙中的灰尘进入设备

       C、风扇将不会受到系统散热量的影响，工作在在较低的空气温度下，风扇寿命较长

抽风方式：

       A、送风均匀，适用于发热器件分布比较均匀，风道比较复杂的情况

       B、进入风扇的流动主要为层流状态

       C、风扇将在出风口高温气流下工作，寿命会受影响

       D、系统内形成负压，缝隙中的灰尘将进入机柜/箱

4、散热器优化

      大功率器件散热器优化主要是对散热器基板厚度、齿片厚度，间距，高度，表面处理方式等参数进行优化设计。随着计算机仿真技术的不断进步，我们可以依托电子热仿真分析软件对散热器进行优化，优化的结果准确、直观。

5、正确的安装

       正确合理的安装可以保障散热产品良好的发挥其作用，提升产品整体可靠性。我们知道：在散热产品安装过程中主要是要保证器件与散热器有着良好、充分的表面接触—-使器件与散热器之间的接触热阻尽可能低。

       影响接触热阻的主要因素有以下几方面原因

      1、接触面平面度

      2、散热产品与热源接触压力

      3、热界面材料的选用和涂抹

      正确涂抹界面材料建议使用专用治具，可以参考下面的图片，从而保证热界面材料均匀，通常厚度需要控制在0.12—0.18mm之间。

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