功率器件热设计及散热器的优化设计

功率器件热设计及散热器的优化设计

付桂翠，高泽溪，邹航，王诞燕
（北京航空航天大学工程系统工程系，北京，100083）

1 表征功率器件热性能的主要参数

功率器件应用时所受到的热应力可能来自器件内部，也可能来自器件外部。器件工作时所耗散的功率要通过发热形式耗散出去。若器件的散热能力有限，则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，使得器件可靠性降低，无法安全正常工作。表征功率器件热能力的参数主要有结温和热阻。

一般将功率器件有源区称为结，器件的有源区温度称为结温。这些器件的有源区可以是结型器件（如晶体管）的pn结区、场效应器件的沟道区，也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等。当结温T j高于周围环境温度Ta时，热量通过温差形成扩散热流，由芯片通过管壳向外散发，散发出的热量随着温差（Tj-T a）的增大而增大。为了保证器件能够长期正常工作，必须规定一个允许结温 Tjmax。Tjmax的大小是根据器件的芯片材料、封装材料和可靠性要求确定的。

功率器件的散热能力通常用热阻表征，记为 RT。热阻越大，则散热能力越差。热阻又分为内热阻和外热阻，内热阻是器件自身固有的热阻，与管芯、外壳材料的导热率、厚度和截面积以及加工工艺等有关；外热阻则与管壳封装的形式有关。一般来说，管壳面积越大，则外热阻越小，金属管壳的外热阻就明显低于塑封管壳的外热阻。

当功率器件的功率耗散达到一定程度时，器件的结温升高，系统的可靠性降低，为了提高可靠性，应进行功率器件的热设计。

2 功率器件热设计

功率器件热设计是要防止器件出现过热或温度交变引起的热失效，可分为器件内部芯片的热设计、封装的热设计和管壳的热设计以及功率器件实际使用中的热设计。其主要关系如图1所示。

对于一般的功率器件，在生产工艺阶段，就要充分考虑器件内部、封装和管壳的热设计，当功率器件功耗较大时，依靠器件本身的散热（芯片、封装及管壳的热设计）并不能够满足散热要求。功率器件结温可能会超出安全结温，此时需要安装合适的散热器，通过散热器有效散热，保证器件结温在安全结温之内且能长期正常可靠的工作。

3 合理选取散热器

功率器件使用散热器是要控制功率器件的温度，尤其是结温Tj，使其低于功率器件正常工作的安全结温，从而提高功率器件的可靠性。功率器件散热器随着功率器件的发展，得到了飞速发展，常规散热器趋向标准化、系列化、通用化，而新产品则向低热阻、多功能、体积小、重量轻、适用于自动化生产与安装等方向发展。合理地选用、设计散热器，能有效降低功率器件的结温，提高功率器件的可靠性。

各种功率器件的内热阻不同，安装散热器时由于接触面和安装力矩的不同，会导致功率器件与散热器之间的接触热阻不同。选择散热器的主要依据是散热器热阻RTf。在不同的环境条件下，功率器件的散热情况也不同。因此选择合适散热器还要考虑环境因素、散热器与功率器件的匹配情况以及整个电子设备的大小、重量等因素。

4 功率器件热设计和散热器优化设计

4.1 设计方案

功率器件热设计和散热器优化设计方案示于图 2。首先根据功率器件正常工作时的性能参数和环境参数，如环境温度、器件功耗和结温等，计算功率器件结温是否工作在安全结温之内，判断是否需要安装散热器进行散热，如功率器件需安装散热器进行散热，计算相应的散热器热阻，初选一散热器；重新计算功率器件结温，判断功率器件结温是否在安全结温之内，所选散热器是否满足要求；对于符合要求的散热器，应根据实际工程需要进行优化设计。

4.2 实例应用

通过设计包含不同封装功率器件的实验电路板，实现散热器的初选和优化，验证功率器件散热器的优化设计方法是否满足工程实用要求。

设计的电路板原理图如图3所示。选用了两种不同封装的功率器件，一种是三端可调输出集成稳压器LM317和LM337，管壳封装为TO-3；另一种是三端固定输出集成稳压器7812和7912，管壳封装为TO-220，同时每个功率器件都配置了相应的散热器，调节可调电阻R1和R 2，改变三端可调输出稳压器LM317、LM337两端的输出电压，通过三端固定输出稳压器7812、7912，可以在负载R5 、R6两端得到恒定的＋12V和-12V的电压。

测量三端可调输出稳压器LM317, LM337的输入、输出电压以及负载电阻R5 , R6两端的电压，计算各功率器件的功耗，测得当时环境温度19.5℃，详细试验数据如表1所示。根据功耗以及功率器件的外壳封装和大小初选了两种散热器：7812和7912 安装SYX－YEC型型材散热器；LM317和LM337则安装SRX－YDT型型材散热器。各功率器件与散热器之间均垫有绝缘垫片，没有涂敷硅脂。查阅相关手册根据器件不同的封装形式（本例中为TO- 3和TO-220封装）选取合适的接触热阻值，详细数值如表2所示。

本例中环境温度为19.5℃、考虑辐射、器件工作在稳态及自然对流冷却情况下，在散热器优化设计软件界面中，依照建模向导，按照散热器的实际尺寸建立散热器模型；然后在散热器合适位置添加热源，在热源参数界面中输入计算所得器件的功耗和接触热阻值；设定器件正常工作的全局条件，包括环境温度、是否考虑辐射以及是瞬态还是稳态等来分别对四个功率器件的散热器进行优化设计。根据工程经验，功率器件壳温一般比结温低30 ℃左右，因此需要限定散热器温度不大于功率器件的壳温。优化变量是工程优化时易于制造加工的肋片几何变量，如肋片厚度、长度、高度等，同时还要考虑功率器件的大小和散热器的加工成本，选定散热器肋片宽度大于1mm，高度大于1mm，长度至少要大于功率器件的纵向长度（本例中，LM317和LM337要大于40mm；7812和7912要大于15mm），使功率器件既能正常工作，又能与散热器达到匹配。表3是经过散热器优化设计软件分析，优化后与优化前的散热器几何尺寸和器件壳温值对比结果。

从表中数据可知，LM317和LM337安装的散热器优化后肋片长度减小不多，但高度明显增加，由优化前9.2mm增加至优化后16.258mm，因此散热面积也有所增加，由优化前0.012mm2增至优化后 0.015 mm2，降低了器件结温，认为优化后散热器满足散热要求。7812、7912安装的散热器优化后质量明显减小，由优化前0.0235kg减轻至0.006kg，散热器散热面积减小很多，虽然引起器件结温升高，但并未超过安全结温，因此，可认为优化后散热器既满足散热要求，又与器件达到了匹配。

5 结论

本文在分析表征功率器件热性能参数的基础上，论述了功率器件的热设计，并从使用角度出发，提出了功率器件热设计及散热器优化设计方案。实验结果表明，该方法合理，有效，为功率器件热设计提供了新的思路。