1. 散熱方法
安裝金旗艦散熱器的基本目的是把功率半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生的熱量傳遞出去。熱量從一種介質(zhì)傳遞到另一種介質(zhì)中去的方法,可以是下述三種方法中的一種或幾種。這三種方法為:
(1) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)是指熱量通過直接接觸的物體從高溫區(qū)傳向低溫區(qū)。它是功率半導(dǎo)體器件的結(jié)到殼和外殼到散熱器散熱的zyx方法。有心意,有暖意。
(2) 熱對流 發(fā)熱物體周圍的熱空氣密度比其附近的冷空氣密度低,因此,熱空氣和冷空氣之間自然就會形成對流。利用流動的氣體或液體流過導(dǎo)熱體表面把熱量帶走的方法稱為熱對流。
(3) 熱輻射 由于導(dǎo)熱體和鄰近物體或空間存在溫度差,所以導(dǎo)熱體就會以輻射的形式向外發(fā)射熱量。這種散熱方法稱為熱輻射。
根據(jù)黑體輻射原理,散熱器的表面溫度越高,表面越粗糙,表面發(fā)黑率越高,散熱器輻射熱量的能力就越強。因此,多數(shù)散熱器都經(jīng)氧化發(fā)黑處理,以增大其輻射散熱的能力。 功率半導(dǎo)體器件的散熱器向周圍環(huán)境的散熱,主要是靠對流散熱和輻射散熱,但傳導(dǎo)散熱也起作用。
2. 散熱器的材料
制造散熱器的材料用得最多的是銅和鋁。雖然銅的導(dǎo)熱能力比鋁強,但它價格比鋁貴,為此,制作散熱器的理想材料是鋁。
在功率晶體管中,為了便于散熱,通常都將其集電極和外殼管座焊在一起,如外殼為F2型的功率晶體管就屬于這一類型。由于銅的導(dǎo)電性比鋁好,加上銅比鋁易于焊接,所以晶體管的金屬外殼一般都用銅來制作。
3. 絕緣墊片
當(dāng)晶體管的外殼和散熱器之間要求絕緣時,可用0.07~0.12mm厚的云母絕緣墊片或聚四氟乙烯絕緣墊片來將它們隔開。這樣做當(dāng)然會增大一些殼到散熱器的熱阻,但若在墊片的每邊涂上一些硅脂,就能使其殼到散熱器的熱阻增加得小一些。氧化鈹絕緣墊片的導(dǎo)熱性雖然比云母片好,但是它的粉末以及煙霧都是有毒的,因此通常不用。
4. 安裝散熱器的注意事項
在安裝散熱器時,為了能得到良好的散熱效果,需注意以下幾點:
①要使散熱器和器件外殼之間的接觸面很平,并保持接觸良好。接觸面越大的散熱器要做到這一點就越困難。為了提高散熱效果,可在散熱器和器件外殼相接觸的接觸面上均勻地涂上一層硅脂。
②使用的緊固力矩要合適。力矩過小,會增大熱阻;過大,又會使器件變形,產(chǎn)生應(yīng)力。嚴重時,甚至?xí)剐酒a(chǎn)生裂縫或引線折斷。
一般F1和F2型外殼的器件,其緊固力矩可在6~10kg ·cm范圍內(nèi)選擇。
③散熱板的凹、凸彎度與螺栓之間間隔應(yīng)小于0.05mm。
④散熱器安裝好后,不允許再對器件的外殼和散熱片進行整形或機械加工,否則將增大熱阻。
⑤器件應(yīng)裝在盡量遠離變壓器、大瓦數(shù)電阻等發(fā)熱源的地方。目的是避免熱量傳到器件的散熱器上或使器件周圍環(huán)境溫度升高。
⑥當(dāng)使用叉指型散熱器時,{zh0}的排列方向是平放,即叉指向上安裝。
散熱器的選擇
散熱器的種類很多,制造商還可以根據(jù)用戶需要而特制。常用的散熱器有以下四種:
①模壓散熱器:制造時,將一個側(cè)面壓成特定的長度。
②叉指型散熱器:該散熱器具有規(guī)律排列的散熱葉片。
③平板散熱器:平板散熱器通常就是一塊金屬平板。
④型材散熱器:散熱器的散熱表面越大,散熱的能力越強。大功率的散熱器常用各種型材制成,如鋁、銅等,型材的截面做成多齒的梳子狀。
通常功率半導(dǎo)體器件的{zd0}允許結(jié)溫、結(jié)到殼的熱阻、耗散功率PD和{zg}工作環(huán)境溫度是已知的。設(shè)計者的任務(wù)就是根據(jù)第6.1節(jié)所述的方法計算出所需的散熱器到環(huán)境的熱阻值,查散熱器的產(chǎn)品目錄或手冊,從其中給出的散熱器到環(huán)境熱阻阻值的曲線上選用所需的散熱器。
散熱系數(shù)與散熱器工作溫度
值得注意的是,散熱器的熱阻阻值并不是恒定不變的,隨著耗散功率PD的增加,散熱器工作溫升將增加,熱阻阻值會減小。因此需要根據(jù)實際散熱器工作溫升對計算的熱阻值進行修正。
分別為型材散熱器和叉指型散熱器的外形圖以及散熱器的允許{zd0}溫升,允許{zg}熱阻和耗散功率PD關(guān)系的特性曲線圖。此特性曲線圖中給出的散熱器允許{zd0}溫升和允許{zg}熱阻的兩組曲線實質(zhì)上是一回事。這一關(guān)系可由式可表示為
型材散熱器的外形圖和特性曲線圖
由上式可見,當(dāng)散熱器的{zd0}允許熱阻一定,則{zd0}允許溫升也就隨之而定,故選擇所需的散熱器型號時,除可根據(jù){zd0}允許熱阻進行選擇外,也可根據(jù)散熱器{zd0}允許溫升來選。當(dāng)然,選擇所需的散熱器時,除可用曲線的方法進行選用外,也可用查表的方法進行選用。分別為國產(chǎn)型材散熱器和國產(chǎn)叉指型散熱器的型號和對應(yīng)的熱阻,散熱器到環(huán)境的熱阻隨加于散熱器上的耗散功率PD值的增大而略有下
降。這是因為當(dāng)加于散熱器上的耗散功率PD增大時,散熱器上的溫升△Tsa也就隨之增大。散熱器和環(huán)境之間的溫差一大,散熱器的輻射散熱和對流散熱的散熱能力就增強,所以其熱阻呈現(xiàn)略有下降之趨勢。
(1)表示散熱器為平放(即叉指向上)測得的曲線
(2)表示散熱器側(cè)放(即叉指向水平方向)測得的曲線叉指型散熱器的外形圖和特性曲線圖。