半导体功率计算

半导体功率器件的散热计算

晨怡热管2006-12-31 0:58:06

【摘要】本文通过对半导体功率器件发热及传热机理的讨论，导出了半导体功率器件的散热计算方法。

【关键词】半导体功率器件功耗发热热阻散热器强制冷却

一、半导体功率器件的类型和功耗特点

一般地说，半导体功率器件是指耗散功率在1瓦或以上的半导体器件。

按照半导体功率器件的运用方式，可分为半导体功率放大器件和半导体功率开关器件。

1、半导体功率放大器件

半导体功率放大器又因其放大电路的类型分为甲类放大器、乙类推挽放大器、甲乙类推挽放大器和丙类放大器。甲类放大器的理论效率只有50%，实际运用时则只有30%左右；乙类推挽放大器的理论效率也只有78.5%，实际运用时则只有60%左右；甲乙类推挽放大器和丙类放大器的效率介乎甲类放大器和乙类推挽放大器之间。

也就是说，半导体功率放大器件从电源中取用的功率只有一部分作为有用功率输送到负载上去，其余的功率则消耗在半导体功率放大器件上，半导体功率放大器在工作时消耗在半导体功率放大器件上的功率称为半导体功率放大器件的功耗。

半导体功率放大器件的功耗为其集电极—发射极之间的电压降乘以集电极电流：

P D=U ce·I c

（式1—1）

式中P D为半导体功率放大器件的功耗（单位W）。

U ce为半导体功率放大器件集电极—发射极之间的电压降（单位V）。

I c

为半导体功率放大器件的集电极电流（单位A）。

线性调整型直流稳压电源中的调整管是工作在放大状态的半导体功率放大器件，所以其功耗的计算和半导体功率放大器件的功耗计算是相似的。例如一个集成三端稳压器，其功耗就是：输入端—输出端电压差乘以输出电流。

2、半导体功率开关器件

半导体功率开关器件例如晶体闸流管、开关三极管等。它们的工作状态只有两个：关断（截止）或导通（饱和）。

理想的开关器件在关断（截止）时，其两端的电压较高，但电流为零，所

以功耗为零；导通（饱和）时流过它的电流较大，但其两端的电压降为零，所以功耗也为零。也就是说，理想的开关器件的理论效率为100%（无损耗）。

但实际的半导体功率开关器件在关断（截止）时，其两端的电压最高，但

电流不为零，总有一定的反向穿透电流I O，则其关断（截止）时的功耗为：

P OFF= U ce·I O（式1—2）

式中：P OFF为半导体功率开关器件在关断时的功耗（单位W）。

U ce为半导体功率开关器件集电极—发射极之间或阳极—阴极之间的的电压（单位V）。

I O为半导体功率开关器件的反向穿透电流（单位A）。

由于目前常用的半导体功率开关器件大多数是使用硅材料制造的，其反向穿透电流一般为微安级，所以半导体功率开关器件在关断时的功耗实际上是很小的，一般为毫瓦级。

实际的半导体功率开关器件在导通（饱和）时，其两端的电压很低，称为导通压降（饱和压降），对于常用的硅器件大约为0.3伏，但由于导通电流一般很大，约为几安到几十安，甚至几百安，所以其导通（饱和）时的功耗一般为几瓦到几十瓦。

实际的半导体功率开关器件在导通（饱和）时，其功耗为：

P on= U S·I S（式1—3）

式中：P on为半导体功率开关器件在导通（饱和）时的功耗（单位W）。

U S为半导体功率开关器件导通压降或饱和压降（单位V）。

I S为半导体功率开关器件的导通电流或饱和电流（单位A）。

另外，实际的半导体功率开关器件在导通（饱和）和关断（截止）状态之间转换时必然要经过一个中间过程，这个过程的电压和电流均较大，如果开关器件的开关特性良好，则这个过程时间很短，功耗较小；如果开关器件的开关特性较差，则这个过程时间较长，功耗较大。

以上三个过程的功耗之和，就是实际的半导体功率开关器件在一个工作周期内的功耗。

综上所述，无论是半导体功率放大器件还是半导体功率开关器件在工作时都不可避免地产生功率损耗，功耗的能量将以热量的形式散发出来，使半导体器件的温度升高。

二、功耗、热阻和温升

如前所述，半导体功率器件的管耗将会使半导体器件的温度升高。当半导体器件的温度升高到一定值时，其内部结构，即PN结将破坏而使器件失效。例如，对于锗材料器件，结温度达到约90℃时PN结将会破坏，而对于硅材料器件，这个温度大约是200℃。

为了使半导体功率器件能正常工作，锗材料器件的极限工作温度一般规定为80℃，而硅材料器件的极限工作温度一般规定为150℃。

如果能把半导体功率器件工作时发出的热量及时散发到周围环境中去，则其工作温度就可能维持在极限工作温度以下，器件就可以处于安全的温度环境之中。

对于不同散热条件的器件，消耗同样功率时的温升是不同的。我们把每单位

功耗下器件系统的温升定义为热阻，一般用符号Rθ表示，其单位是W/℃。

器件系统的热阻等于其管芯的热量传递到周围环境的传热途径上所有环节的热阻的总和，即：

R jAθ=R jCθ+R CSθ+R SAθ（式2—1）

式中：

R jAθ—器件外壳的总热阻

R jCθ—管芯到外壳的热阻

R CSθ—外壳到器件表面的热阻

R SAθ—器件表面到周围环境的热阻

图2 — 1为半导体功率器件安装的示意图

图2 — 1 半导体功率器件安装示意图

图2 — 2为半导体功率器件的传热途径和热阻示意图

图2 — 2 半导体功率器件的传热途径和热阻示意图在热传导过程中，功耗温升与热阻之间有以下关系：

P D= ∑

?

θ

R

T

（式2—2）

式中：

P D—半导体器件的功耗，单位：W

ΔT—芯片与环境的温度差，单位：℃

∑Rθ—在ΔT的温差下，传热系统各环节热阻的总和，

单位：℃/W

下面把（式2—1）中的各项热阻作如下说明：

1、R jAθ—器件外壳的总热阻

该项热阻主要由整个器件（包括管芯、底板、管壳）的材料、结构所决定。

表2 — 1给出了几种不同封装的半导体功率器件的R jAθ值。

jA

θ

2、R jCθ—管芯到外壳的热阻

该项热阻主要与器件的底座的材料和尺寸有关，铜底座和厚板结构者热阻较小。

表2 — 2给出了几种不同封装的半导体功率器件的R jCθ值。

θ

jC

3、R CSθ—外壳到器件表面的热阻

该项热阻主要由器件外壳的材质和厚度和封装方式决定。铜质厚板的器件热阻最小，铁质薄板的次之，塑料封装的热阻最大。该项热阻也和是否装有散热板以及管壳与散热板之间的导热介质有关。

表2 — 3给出了几种不同封装和不同导热介质的半导体功率器件的R CSθ值。

θ

CS

4、散热器的热阻R Tf

该项热阻主要由器件的散热系统的材料和结构有关。

铜质的散热器热阻最小，铝质散热器热阻也较小，铁质散热器的热阻较大，而不外加散热器时热阻最大；采用自然空气冷却时的热阻较大，采用强制风冷时的热阻较小。

散热器的的表面积，即散热器与空气直接接触的面积是决定散热器热阻的主要参数。此外，散热器的安装位置对热阻也有影响。例如水平放置的平板散热器的热阻比垂直放置的要大。

铝质平板散热器的热阻可参考表2 — 4

铝质平板散热器的热阻也可参考图2 — 3选取

图2 — 3 铝质平板散热器的热阻

三、计算实例

现有一只S — 7封装的硅功率半导体器件，查器件手册得知其极限运用温度T jM=150℃，现根据其工作条件决定工作环境温度T A=70℃。

1、求它在不带散热器时的极限功耗。

2、若它在实际工作时的功耗为750mw，极限运用温度T jM为125℃，求它在不带散热器时的极限环境温度。

3、若要求它的实际功耗为5.5W，允许的最高器件工作温度为100℃，允许最高工作环境温度为40℃。问该器件正常工作时是否需要加装散热器？如果要加装平板散热器，又要求散热器垂直放置，求所需的散热器面积。

解：

1、查表表2 — 1，得S — 7封装的器件的热阻R jCθ=63 ℃/W

代入式2 — 2：

P D= ∑

?

θ

R

T

=jA

A

jM

R

T

T

θ

-

=6370

150-

=1.27(W)

也就是说，S — 7封装的硅功率半导体器件不带散热器在极限运用温度为T jM=150℃，工作环境温度T A=70℃时的允许功耗不得超过1.27W。

2、若它在实际工作时的功耗为750mw，极限运用温度T jM仍为150℃，据式2 — 2：

P D= ∑

?

θ

R

T

=

jA

A

jM

R

T

T

θ

-

则： T A =T jM — R jA θ·P D =125 — 63×0.75 =77.75℃

3、若要求它的实际功耗为5.5W ，这已经超出了它在不带散热器时的极限功耗，所以器件必须加装散热器。

加装了散热器之后，总热阻为管芯到外壳的热阻R jC θ、外壳到器件表面，即到散热器的热阻R CS θ及散热器热阻R Tf 之和，则式2 — 2应改写为：

P D =

Tf CS jC A

j R R R T T ++-θθ

由表2 — 2、表2 — 3、分别查得S —7封装的器件的R jC θ=4 ℃/W 、 R CS θ=3 ℃/W ，

把P D =5.5W 、R jC θ=4 ℃/W 、R CS θ=3 ℃/W 代入上式得： 散热器热阻R Tf 应为：

R Tf =

D

A j P T T -— R jC θ— R CS θ

=5.540

100-— 4 — 3

=3.9℃/W

查表2 — 4或图2 — 3均可得铝平板散热器的面积S=200cm 2

（厚1.5mm ）。

四、工艺问题

在安装散热器时还应注意以下几点工艺问题:：

1、散热器与器件的接触面应平整，在整个接触面内测量，平面度误差不大于0.1mm 。

2、在器件与散热器接触面之间最好涂一层硅脂或凡士林，以增加导热性能，减少热阻。

3、一般用M3或M4的螺拴将器件紧固在散热器上，相应的紧固扭矩大约是3 — 4N ·m 。扭矩太小会增加热阻，扭矩太大则会使螺拴 — 螺母系统产生非弹性变形，反而减小紧固力，甚至使螺拴 — 螺母系统滑扣而失效。

4、散热器经表面电氧化处理后表面呈黑色，可提高散热效果。

5、大部分的功率半导体器件的金属外壳同时作为一个电极使用，当器件的金属外壳对应的电极要求对散热器有电绝缘要求时，应使用专用的云母或聚脂绝缘垫片和绝缘垫圈紧固器件，并应在安装后检查确保绝缘良好。

6、如果设备的结构紧凑，空间位置不允许安装足够尺寸的散热器，或器件周围的空间较小，不能保证足够的空气对流，则应考虑使用强制冷却的方法，即在设备内安装冷却风扇。使用体积较小而面积较大的翅式散热器可得到比平板散热器更好的散热效果。一种内部充有优良导热液体的热管散热器，散热性能更为优良，已经逐步应用在高挡的音频功率放大器上。

—全文完—

二００三年五月

参考文献：

1、清华大学电子工程系、工业自动化系编：《晶体管电路》。科学出版社。

2、杨晓东：《集成稳压器的应用设计及热设计》。