【电赛公开课】电力电子基础知识讲座_第05课_热阻与散热

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《电子电路基础知识讲座》由TI邀请青岛大学傅强老师录制，深入浅出的介绍了与电源技术相关的基础性知识，帮助大家由浅入深地了解产品，更轻松的进行产品的选型和设计。

本课程共计80节视频内容，视频解析文字课40节，每周二、周四更新，欢迎同学观看学习。

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热阻与散热（点击前往观看）

有一个很普遍的现象，当学生们发现一个元件烫手的时候，就开始手足无措觉得有东西要烧掉了；当给它加上一个“迷你”散热片以后，又会想当然的觉得高枕无忧了。

（1）事实上，元件烫手未必不正常，55℃以上人就感觉发烫了，而很多高速元件的功耗较大，工作在七八十度非常正常，非得让它不烫手属于“无理取闹”。

（2）另一方面，加上散热片也未必万事大吉，很多时候学生们加的散热片的散热能力微弱到聊胜于无。

本节内容就是关于定量计算散热能力的。虽然偷工减料不值得提倡，但是用料过度的设计也属于无能的表现。某型飞机设计的纪录片中有一段应力破坏试验的内容：“机翼在102%设计载荷时，在预计部位产生破坏；机身在105%设计载荷时，在预计部位产生破坏”。清楚知道自己的设计裕量是多少，才是合格的设计！

1 管芯温度与环境温度

散热的概念基于一个基本前提，那就是发热器件所处环境温度要比发热器件的温度要低，这样才能进行散热。

（1）想象一下，如果环境温度就200℃了，芯片如何散热。这种情况下，只能制造耐温达到200℃的芯片才行。有些应用于地下钻井的传感器芯片就属于这种无法散热的情况。

（2）如果环境温度保持不变，比如25℃，且“散热通道”极其通畅，芯片的温度应该和环境温度一致。但显然，“散热通道”达不到极其通畅，实际发热芯片的温度要超过25℃，但是究竟两者温差是多少度，就需要引入热阻的概念。

如式（1）所示，P为芯片的发热功率，Ta是环境温度（Ambient），Tj是芯片的管芯温度（Junction）。

（1）RT热阻是描述阻碍散热的物理量，热阻越大，散热越困难。热阻的单位是℃/W，如果某芯片的热阻是1℃/W，那么意味着1W的功耗会使芯片温升1℃。

（2）芯片的管芯温度Tj（这个温度手可摸不着，手只能摸到管壳温度）一定大于环境温度Ta，至于高多少，取决于芯片的功耗和热阻。

（3）以二氧化硅为材料的半导体器件可承受的最高管芯温度大概是150℃，加上基本的环境温度和安全裕量，一般允许的功耗发热温升不能超过100℃。

2 热阻的计算

散热器对热阻的大小有决定性影响。式（2）描述的是没有散热器时芯片的散热热阻，式（3）是描述有散热器时的散热热阻。

（1）热阻的概念与电阻有类似的地方，由于只有环境温度被认为是热容量极大且温度保持不变（相当于电路中的地），所以散热的“回路”必须从管芯一直“串联”叠加到空气。

（2）参考图1，由管芯（Junction）到管壳（Case）之间存在热阻Rjc，管壳（Case）到环境（Ambient）存在热阻Rca，两者“串联”构成一个完整的散热“回路”。

图1无散热器热阻示意图

（3）如图2所示，散热器的引入相当于是增加了一个散热通道，管壳（Case）到散热器（heat Sink）存在热阻Rcs，散热器（heat Sink）到环境（Ambient）存在热阻Rsa。

图2 散热器热阻示意图

（4）由于Rca>>(Rcs+Rsa)，所以在有散热器时，总热阻可近似表示为式（4）。一般在涂抹优质导热硅脂的情况下，管壳到散热器的热阻Rcs<<Rsa，Rcs也可忽略。

3 常见封装及散热器的热阻

如表1所示，三种最常用的功率半导体的封装的热阻参数。

表1 常见封装的热阻

（1）参考图2，管芯到管壳的热阻Rjc是无法通过“并联”散热器减小的，所以，一旦Rjc非常大，即意味这种封装无法加装散热器。TO-92封装的Rjc高达83.3℃/W，这意味着即使维持管壳温度恒定不变（就算用液氮冷却吧），1W的功耗也能使温度升高 83.3℃。

（2）TO-220和TO-03封装的元件适合加装散热器，但是如果不加装散热器，它们本身金属外壳的散热能力是很差的。简单估算一下，即使是TO-03封装的元件，也只能耗散不超过4W的功率。

图3所示是一款应用于半砖变流器（half-brick converters）的散热器，该散热器可以加装风扇进行强迫风冷（与之对应的是不加风扇的自然风冷方式）。此外，好的散热器都应该表面阳极钝化（不能是镜面抛光），最好是黑色。

图3 某款散热器的外观及尺寸

如图4所示为半砖散热器的热阻，纵坐标为热阻，横坐标表示强迫风冷的风速。

图4 强迫风况冷情下的热阻

（1）这样一块散热片在不加风扇的情况下，热阻是10.3℃/W。

（2）足够风冷的情况下，热阻可以降至1.5℃/W。如果需要更好的散热效果，就必须采用水冷了。

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【第04课_实际电容与电源滤波】一课的课后问题解答如下：

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