2.11 大功率散熱器

開(kāi)關(guān)電源長(zhǎng)期安全運(yùn)行的關(guān)鍵，除了電路設(shè)計(jì)之外，再就是散熱器設(shè)計(jì)，散熱器是將功率開(kāi)關(guān)管、整流二極管產(chǎn)生的熱量及時(shí)地散發(fā)掉，避免因散熱不良致使管心溫度超過(guò)結(jié)溫，無(wú)法工作，甚至燒毀管子。

2.11.1 散熱器的基本原理

熱傳遞主要有三種方式：

1）熱傳導(dǎo)：物質(zhì)本身或物質(zhì)與物質(zhì)相接觸時(shí)，將其能量傳遞，稱之為熱傳導(dǎo)，它是由能量較低的粒子和能量較高的粒子通過(guò)接觸將能量進(jìn)行傳遞。熱傳導(dǎo)的基本公式是Q=K·A·ΔT/ΔL。式中，K為熱傳導(dǎo)系數(shù)，傳導(dǎo)系數(shù)越高，其比熱的數(shù)值越低；ΔT是溫度差；ΔL是傳遞物體與傳遞物體的距離。從公式知道，熱量傳遞快慢與熱傳導(dǎo)系數(shù)、傳熱面積成正比，與距離成反比。

2）對(duì)流：對(duì)流是流體與固體表面接觸，使流體從固體表面帶走熱所形成的熱傳遞。對(duì)流分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。對(duì)流的計(jì)算公式是Q=H·A·ΔT。式中，H為對(duì)流系數(shù)；A為熱對(duì)流有效接觸面積；ΔT為固體與流體之間的溫度差。熱對(duì)流系數(shù)越高、有效接觸面積越大、溫差越高，所帶走的熱量越多，效果越好。

3）熱輻射：熱輻射是一種不需接觸，就能夠發(fā)生熱交換的傳遞方式。熱輻射是通過(guò)短波來(lái)傳遞熱能的，頻率越高、波長(zhǎng)越短，熱輻射強(qiáng)度越大。熱輻射的公式為Q=E·S·F（ΔTA-ΔTB）。式中，E為物體表面熱輻射系數(shù)，它與物體表面光潔度、顏色有關(guān)；S是物體的表面積；F是輻射熱交換的角度及它的表面函數(shù)；ΔTA-ΔTB是兩物體表面溫度之差，也叫差度。

2.11.2 散熱器的設(shè)計(jì)

散熱器是很多電子設(shè)備的重要器件，工作狀態(tài)的好壞直接影響整機(jī)的可靠性。大功率開(kāi)關(guān)管發(fā)熱量大，僅靠自身的外殼散熱無(wú)法滿足要求，需要配置合理的散熱器才能有效地散熱，而散熱器的選擇是否合理，將直接影響功率器件的可靠性，因此，仔細(xì)分析散熱器的散熱性能，有利于合理選取散熱器。

1．散熱器的選取

散熱器的選取首先考慮的是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，散熱效果好。散熱器的一般依據(jù)散熱器的熱阻來(lái)合理選擇，還要考慮散熱器的空間、氣流流量和散熱器的成本。散熱器的效果與散熱器的熱阻大小密切相關(guān)，而熱阻除了與散熱器的材料有關(guān)之外，還與散熱器的形狀、尺寸大小、安裝方式及環(huán)境通風(fēng)等條件有關(guān)。而散熱器的有效面積與散熱幾何參數(shù)密切相關(guān)。

2．散熱器的熱性能幾何因素分析

散熱器的幾何因素對(duì)散熱器的散熱性能有很大影響，現(xiàn)以典型材料進(jìn)行分析：功率器件LM317為熱源，工作在自然冷卻環(huán)境下，環(huán)境溫度為30℃，功耗為3.2W，散熱器材為SYX-YDE。熱源與散熱器表面接觸熱阻為0.9℃/W，根據(jù)開(kāi)關(guān)電源視在功率計(jì)算出散熱材料要上升的溫度確定尺寸大小，利用散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，比較優(yōu)化前后幾何參數(shù)的變化及對(duì)散熱器熱阻的影響。

計(jì)算覆銅板的熱阻公式：

式中，KS為導(dǎo)熱系數(shù)，KS=332kcal/（h·m·℃）；L、B、N為覆銅板長(zhǎng)（m）、寬（m）、厚（m）；vS為風(fēng)速（m/s）；A為總表面積（m2）。

上式與封裝形式有關(guān)，當(dāng)引腳直接焊到覆銅板時(shí)，為38℃/W；如果引腳不與敷銅板焊接時(shí)，接觸熱阻將達(dá)到62℃/W。

3．MOSEFT所用的散熱計(jì)算

由多個(gè)散熱片組成的散熱器，通過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流、熱輻射帶來(lái)較多的散熱效果。對(duì)于上述理論而言，接觸面積無(wú)限大的散熱器的熱阻等于零，實(shí)際上是無(wú)法做到的，因?yàn)樯崞髡加锌臻g有限，這就要求合理地選擇散熱器和計(jì)算其面積：

PM（max）=（Tj（max）-TA（max））/θ

式中，PM（max）為MOSEFT最大耗散功率（查資料手冊(cè)）；Tj（max）為MOSEFT所允許承受的最高溫度；TA（max）為設(shè)計(jì)電路工作時(shí)所處的最高環(huán)境溫度；θ為熱流所經(jīng)過(guò)的總熱阻：

θ=θjc+θcs+θsa

式中，θjc為MOS管的PN結(jié)到外殼的熱阻（℃/W）；θcs為外殼到散熱器的熱阻（℃/W）；θsa為散熱表面到周圍空氣的熱阻（℃/W）。

常用的鋁散熱板及散熱材料特性，在散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理選擇散熱器的幾何尺寸，要保證散熱器在體積小、重量輕的情況下達(dá)到最佳散熱效果，如圖2-23所示，為鋁散熱器與周圍空氣熱阻關(guān)系曲線圖。