不同散熱器配置的對比分析

出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2023-12-19 17:07:06 | 318 次閱讀

　　電子系統(tǒng)達(dá)到的熱效率水平是決定其可靠性的最重要因素之一。過熱的組件可能會(huì)遭受無法修復(fù)的損壞，危及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并縮短組件的使用壽命。因此，如果您想保證其可靠和安全的運(yùn)行，那么選擇適合您所使用的電子元件的散熱器是絕對必要的。
　　在本文中，我們將研究可用于降低 SiC MOSFET（電力系統(tǒng)中常見的一種半導(dǎo)體）溫度的多種散熱器。將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以確定各種解決方案在熱管理方面的形狀和材料成分方面的功效。本實(shí)驗(yàn)旨在提供對各種散熱器熱性能的基本了解，并確定 MOSFET 散熱的有效解決方案。這兩個(gè)目標(biāo)都將通過確定最佳解決方案來實(shí)現(xiàn)。需要選擇最適合其解決方案的散熱器的電子設(shè)計(jì)人員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)此信息很有幫助。
　　候選散熱器
　　電子散熱器是許多電子應(yīng)用中的關(guān)鍵組件，特別是在散發(fā)晶體管和 MOSFET 等電子組件產(chǎn)生的熱量方面。電子散熱器的形狀對其散熱方式以及電子元件的性能具有重大影響。它們通常使用高導(dǎo)熱率的材料（例如鋁或銅）制成，并具有更寬的表面積以增加散熱面積。后者還會(huì)影響組件周圍的空氣流通。表面形狀也是影響耗散效率的重要因素。用于構(gòu)造散熱器的材料也是其散熱能力的重要因素。用鋁制成的散熱器的導(dǎo)熱率比用銅制成的散熱器低，但它可以更輕、更便宜。銅具有更高的導(dǎo)熱率，使其更適合散熱至關(guān)重要的應(yīng)用。使用 TO-220 封裝進(jìn)行的散熱測試（參見圖 1）用于評估其處理所產(chǎn)生熱量的能力。
　

　　圖 1：TO-220 封裝，廣泛用于晶體管和 MOSFET
　　散熱器對于功率器件的正常運(yùn)行至關(guān)重要，如果沒有散熱器，就會(huì)導(dǎo)致功率器件在不可接受的溫度下運(yùn)行，即使對于較輕的應(yīng)用也是如此。如前所述，散熱器可以由不同的材料制成；因此，設(shè)計(jì)人員必須在適當(dāng)?shù)纳岷蜕崞鞒杀局g找到一個(gè)良好的折衷方案。關(guān)鍵參數(shù)之一是熱導(dǎo)率，該參數(shù)標(biāo)識物質(zhì)通過熱傳導(dǎo)傳遞熱量的能力。下表顯示了某些材料的這一特性。
　　材料20°C 時(shí)的熱導(dǎo)率 (W/mK)
　　含 5% Ni 的鋼29
　　鋼含 30% Ni105
　　水0.63
　　鋁210
　　空氣0.026
　　銀第420章
　　鐵50
　　鎳60
　　金子300
　　黃銅80
　　帶領(lǐng)35
　　銅8900第395章
　　鋅110
　　從表中可以看出，構(gòu)建散熱器時(shí)使用最多的材料是鋁、銀、金和銅。顯然，白銀和黃金根本不劃算。
　　暴露表面積
　　本節(jié)中進(jìn)行的模擬測試涉及器件達(dá)到的最高溫度，改變暴露在空氣中的散熱器表面（鋁），熱系數(shù)為 0.025 mW/mm2/°C，溫度為 20°C。此外，該器件的背面承受 30 mW/mm2 的功率。圖 2 顯示了模擬獲得的結(jié)果，更重要的是，顯示了系統(tǒng)運(yùn)行期間器件達(dá)到的理論最高溫度。模擬涵蓋以下場景，溫標(biāo)在 20°C 至 100°C 之間：
　　設(shè)備在上述條件下運(yùn)行，無需任何散熱器。達(dá)到的最高溫度約為 506°C，可安全銷毀組件。
　　設(shè)備采用平行六面體形狀的散熱器，暴露表面積為 8,780 mm 2。達(dá)到的最高溫度約為 64°C，散熱器的平均溫度約為 36°C，以確保設(shè)備正常運(yùn)行。
　　設(shè)備采用形狀復(fù)雜的散熱器，帶有許多散熱片，使暴露的表面積擴(kuò)大了 41,080 mm 2。達(dá)到的最高溫度約為 51°C，散熱器的平均溫度約為 26°C，以實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)備運(yùn)行。
　　設(shè)備采用平行六面體形狀的散熱器，暴露表面積為 2,195 mm 2。達(dá)到的最高溫度約為 95°C，散熱器的平均溫度約為 73°C，設(shè)備運(yùn)行良好。

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