功率器件热设计及散热计算
MOSFET功率开关器件的散热计算
MOSFET功率开关器件的散热计算MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种常用的功率开关器件，用于调节和控制电子电路中的功率输出。
在工作过程中，MOSFET 会产生一定的功耗，这会导致器件升温，为了保证器件的正常工作，需要进行散热计算。
散热计算的目的是确定器件的热阻和最大工作温度，以便选择适当的散热方式，以及确定散热器的大小和材料。
首先，我们需要了解MOSFET的功耗，计算器件的热阻和最大工作温度。
1.功耗计算：-静态功耗是指器件处于稳态工作时的功耗，主要是由电流引起的导通压降和漏极电流引起的静态功耗。
-动态功耗是指在开关过程中，由于MOSFET开关速度造成的功耗。
静态功耗可以通过电流和导通压降计算得出，动态功耗则需要根据MOSFET的开关速度和应用场景来进行估算。
一般来说，静态功耗较小，可以忽略不计，因此我们主要关注动态功耗。
2.热阻计算：热阻由两个组成部分构成：导热阻（junction-to-case thermal resistance）和散热阻（case-to-ambient thermal resistance）。
-导热阻是指热量从MOSFET结到器件封装外壳的传导阻力。
-散热阻是指热量从器件封装外壳传递到周围环境的散热阻力。
导热阻可以通过器件手册或厂商提供的数据手册来获得，散热阻可以通过热量传导理论和计算公式来估算。
3.最大工作温度：最大工作温度可以通过器件手册或厂商提供的数据手册来获得。
有了以上的基础知识，我们可以按照以下步骤进行MOSFET的散热计算：1.根据应用场景和数据手册提供的参数，计算出MOSFET的功耗。
2.根据功耗计算出MOSFET的热阻（包括导热阻和散热阻）。
3.确定最大工作温度，通常根据数据手册提供的温度参数来确定。
4.根据最大工作温度和热阻，计算出器件离开环境的温度差。
5.根据热耗的温度差和功耗，计算出散热器的尺寸和材料。
需要注意的是，散热计算是一个非常复杂的过程，涉及到多方面的因素，包括器件的封装类型、散热器的设计和材料选择等。
LED 散热设计原理及结温等计算公式
大功率LED的散热设计近年来，大功率LED发展较快，在结构和性能上都有较大的改进，产量上升、价格下降；还开发出单颗功率为100W的超大功率白光LED。
与前几年相比较，在发光效率上有长足的进步。
例如，Edison公司前几年的20W白光LED，其光通量为700lm，发光效率为35lm/W。
2007年开发的100W白光LED，其光通量为6000lm，发光效率为60lm/W。
又例如，Lumiled公司最近开发的K2白光LED，与其Ⅰ、Ⅲ系列同类产品比较如表1所示。
从表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大结温、热阻及外廓尺寸上都有较大的改进。
Cree公司新推出的XLamp XR～E冷白光LED，其最高亮度挡QS在350mA时光通量可达107～114lm。
这些性能良好的大功率LED给开发LED白光照明灯具创造了条件。
前几年，各种白光LED照明灯具主要是采用小功率Φ5白光LED来做的。
如1～5W的灯泡、15～20W的管灯及40～60W的路灯、投射灯等。
这些灯具使用了几十到几百个Φ5白光LED，生产工艺复杂、可靠性差、故障率高、外壳尺寸大，并且亮度不足。
为改进上述缺点，这几年逐步采用大功率白光LED来替代Φ5白光LED 来设计新型灯具。
例如，用18个2W的白光LED做成的街灯，若采用Φ5白光LED 则要几百个。
另外，用一个1.25W的K2系列白光LED，可做成光通量为65lm的强光手电筒，照射距离可达几十米。
若采用Φ5白光LED来做则是不可能的。
图1 结温TJ与相对出光率关系图用大功率LED做的灯具其价格比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多，但它的节能效果及寿命比其他灯具也高的多。
如果在路灯系统及候机大厅、大型百货商场或超市、高级宾馆大堂等用电大户的公共场所全部采用LED灯具，其一次性投资较高，但长期的节电效果及经济性都是值得期待的。
目前主要采用1～3W大功率白光LED作照明灯，因为其发光效率高、价格低、应用灵活。
浅析电子设备中功率器件的热设计与散热设计
浅析电子设备中功率器件的热设计与散热设计0 引言电子设备（产品）在工作过程中，随着温度达到或超过规定的温度值时，就会引起或增大电子设备的失效率，也就是过热失效。
过热失效的原因主要来自电子设备中功率器件的过热。
因此，做好电子设备中功率器件的热设计与散热设计是提高电子设备（产品）质量与可靠性的关键环节。
本文就电子设备中功率器件的热性能、功率器件热设计、散热器设计、散热技术的发展等，做进一步的研究和探讨[1]。
1 功率器件的热性能功率器件在受到来自器件本身工作时（内部）产生的热或受到器件壳体（外部）接触到的热源影响，又得不到及时地散热，就会导致功率器件内部芯片（有源区）的温度（结温）升高，使器件的可靠性降低无法正常工作。
功率器件的热性能：结温和热阻[2]。
1.1 结温。
功率器件的内部芯片有源区（如晶体管的pn结区、场效应器件的沟道区、集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等）的温度称为结温。
当功率器件的结温温度（tj）超过其环境温度（ta）时，由温差变化形成的热扩散流，把器件芯片上的热量传递到管壳并向外散发热能，并随着器件结温与环境温差(tj-ta)的变化增大而使传热量增大。
1.2 热阻。
功率器件传递热量能力的大小称为热阻（rt），热阻（rt）的值增大时，功率器件的散热能力就减小。
热阻分为内、外热阻：①内热阻是功率器件本身的热阻，并与功率器件的芯片、外壳材料的导热率、厚度和截面积等有关。
②外热阻是功率器件外部的热阻，并与功率器件外部（管壳）的封装形式（如金属管壳的外热阻<塑封管壳）有关，而且管壳面积越大，外热阻越小。
2 功率器件的热设计功率器件热设计的目的是为了防止器件工作时所产生的温度过高，致使器件（过热引起热失效）无法正常工作。
在功率器件热设计过程中，不仅要作好器件内部芯片、封装形式和管壳的热设计，还要加装合适的散热器进行有效散热，保证器件在安全结温之内正常可靠的工作[3]。
2.1 器件的性能参数和环境参数。
一个3000W整流模块的热设计方案和计算实例
一个3000W整流模块的热设计方案和计算实例普天王海功率器件热设计和散热器优化设计方案示于图。
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。
具体步骤如下：1.估算各部分的功率损耗1）整流桥（MP3510-W）输入最大功率：P in=3000/93%=3225.6W输入最大电流：I in=3225.6/185=17.44A正向损耗：P loss1=2×I in×0.9×V F=4×17.44×0.45×1.1=34.5W反向最大损耗：P loss2max=2×V r×1.1×I r=2×265×1.1×0.0005=0.3W合计：35W2）PFC电路的开关管（SPW47N60CFD）和快恢复二极管（SDT08S60）3）全桥变换初级四个开关管（SPW20N60CFD）4）次级整流二级管（DSEC30-02A）主要是正向导通损耗和开关损耗?假设：开关频率f=70KHz最大输出功率时，导通时间t on=7us ，开关时间t rr=140nsP F=6×I max/3×V F×t on×f=6×55/3×0.85×7×0.07=45.8WP cross=6×(I max/3/2×2×V out×t rr×f/6)=55/3×57.6×0.14×0.07×2=20.7WPloss=45.8+20.7=66.5W2.计算器件所用散热器的热阻一．以整流桥为例：1）MP3510-W的内热阻：R jc=1.4℃/W2）与散热器的接触面积：Ａc＝2.9×2.9-3.14×0.254×0.254=8.2cm2取8cm2，表面涂导热硅脂，加压，接触热阻：R tc=0.48/8=0.06℃/W3）根据导通电流与散热器温度的关系曲线和最大输入电流的需要，散热器温度应小于100℃，结温最大150℃,环境温度最高55℃，满足负荷输出时，散热器的热阻应：R tf≤（150-55）/35-1.4-0.06=1.25℃/W4）散热器的温度1.25×35+55=98.75℃二．以次级整流二级管为例：1）DSEC30-02A的内热阻：R jc=1.6/3=0.533℃/W2）与散热器的接触面积：Ａc＝3×（2.015×1.575-3.14×0.182×0.182）=9.21cm2表面涂导热硅脂，加压，接触热阻：R tc=0.48/9.21=0.052℃/W3）最大输出电流的需要，散热器温度应小于115℃，结温最大175℃,环境温度最高55℃，满足负荷输出时，散热器的热阻应：R tf≤（175-55）/66.5-0.553-0.052=1.2℃/W3.根据热阻估算散热器的散热面积一．以整流桥为例：假定流过肋片的风速在1m/s,根据结构散热片的长度允许3cm。
电源功率器件散热器计算
电源功率器件散热器计算一、7805 设计事例设I=350mA，Vin=12V，则耗散功率Pd=(12V-5V)*0.35A=2.45W。
按照TO-220封装的热阻θJA=54℃/W，温升是132℃，设室温25℃，那么将会达到7805 的热保护点150℃，7805 会断开输出。
二、正确的设计方法是：首先确定最高的环境温度，比如60℃，查出民品7805 的最高结温Tj(max)=125℃，那么允许的温升是65℃。
要求的热阻是65℃/2.45W=26℃/W。
再查7805 的热阻，TO-220 封装的热阻θJA=54℃/W，TO-3 封装（也就是大家说的“铁壳”）的热阻θJA=39℃/W，均高于要求值，都不能使用（虽然达不到热保护点，但是超指标使用还是不对的）,所以不论那种封装都必须加散热片。
资料里讲到加散热片的时候，应该加上4℃/W 的壳到散热片的热阻。
计算散热片应该具有的热阻也很简单，与电阻的并联一样，即54//x=26，x=50℃/W。
其实这个值非常大，只要是个散热片即可满足。
三、散热片尺寸设计散热片计算很麻烦的，而且是半经验性的，或说是人家的实测结果。
基本的计算方法是:1.最大总热阻θja ＝（器件芯的最高允许温度TJ －最高环境温度TA ）/ 最大耗散功率其中，对硅半导体，TJ 可高到125℃，但一般不应取那么高，温度太高会降低可靠性和寿命。
最高环境温度TA 是使用中机箱内的温度，比气温会高。
最大耗散功率见器件手册。
2.总热阻θja＝芯到壳的热阻θjc ＋壳到散热片的θcs ＋散热片到环境的θsa其中，θjc 在大功率器件的DateSheet 中都有，例如3---5θcs对TO220 封装，用2 左右，对TO3 封装，用3 左右，加导热硅脂后，该值会小一点，加云母绝缘后，该值会大一点。
散热片到环境的热阻θsa 跟散热片的材料、表面积、厚度都有关系，作为参考，给出一组数据例子。
a.对于厚2mm 的铝板，表面积（平方厘米）和热阻（℃/W）的对应关系是：中间的数据可以估计了。
功率器件的散热计算及散热器选择
司产 品）作 低频 功 放 ，其 电路如 图 １ 所
器件 为 ８引脚 Ｔ ３ 属外 壳 封装 Ｏ一 金 ０ １ ￣ Ｗ ；若 器件 底 面 不绝 缘 需 示 。 ～０ ２Ｃ／ 器 件 丁作 条 件 如 要 另 外 加 云 母 片 绝 器 件上 还 采用 流动 冷水 冷却 板 ， 它有 更 下 作 电压 ±Ｖ 工 ｓ 缘 ， 其 Ｒ 可达 １ 则 一 ℃／ 好 的散 热效 果 。 为 ±１ Ｖ ８ ；负 载 阻 Ｗ Ｐ 为 实 际的最 大 。 散 热 计 算 就 是 在 一 定 的 ＿作 条件 ｒ 抗 Ｒ 为 ４ Ｑ， Ｔ 损 耗 功 率 ，可 根 据 不 下 ， 过 计算 来 确 定 合适 的散 措 施及 通 作 频 率 直 流 条 件 同器 件 的工 作 条件 计
Ｒ ≤ ｏ Ｐ ｒ Ｔ ）／ 一
割成 一 定 长度 而制成 非 标准 的散热 器
散 热 器 的 表 面处 理有 电 泳 涂 漆 或
可靠 地 ｒ 作
则 计算 最 夫 允许 的 散 热 器 到 环 境 黑 色 氧极 化 处 理 ， 口的是 提 高散 热 敢 其
温度 的 热 阻 Ｒ 为 一
率 及 绝 缘 性 能 ：在 自然 冷 却 下 可 提 高 １ ～１ ％ ， ０ ５ 在通 风 冷却 下 可提 高 ３ ， ％ 电
泳涂 漆 可 耐压 ５ ０ ０ ｖ ０ ￣８ ０
散 热计 算
任何器件在 １作时都有 一 耗 定 的 损 大部 分 的损 耗 变成 热 量 。小功 率 器
’ ｒ
计 算 实例
一
常 用 的 就 是 将 功 率 器 件 安 装 在 散 热 器
利 用散 热器 将 热 量散 到 刷 隔 空 间 ， 必 要 时 冉加 上散 热 风 扇 ， 一定 的风速 加 强 冷却 散 热 ＝ 某些 大 型设 备 的 功率 在
散热器的计算公式
散热器的计算公式
散热器是一种用来散发热量的设备，广泛应用于各个领域，包
括建筑、工业、汽车等。
计算散热器的散热能力对于确保设备正常
运作非常重要。
以下是一些常用的散热器计算公式。
1. 热功率计算
散热器的主要功能是散发热量，因此计算热功率是散热器设计
的关键。
热功率可根据以下公式计算：
热功率 (W) = 热量传导系数 (U) ×温度差(ΔT) × 表面积 (A)
其中，热量传导系数是指散热器材料的热导率，温度差是散热
器表面的温度与周围环境温度之差，表面积是指散热器的外表面积。
2. 散热器尺寸计算
散热器尺寸的计算涉及到散热片的数量和间距。
以下是一些常
用的散热器尺寸计算公式：
- 散热片数量 (N) = 热功率 (W) / 单个散热片的散热能力 (Q)
其中，单个散热片的散热能力可由散热片的热导率 (K) 和表面积 (A) 计算得出。
- 散热片间距 (D) = 散热器高度 (H) / (散热片数量 (N) - 1)
3. 散热器材料选择
散热器材料的选择是散热器设计中的另一个重要因素。
常用的散热器材料包括铝、铜、不锈钢等。
根据散热需求和成本考虑，选择适当的材料是非常关键的。
4. 其他因素考虑
除了以上的计算公式外，散热器设计还需要考虑其他因素，例如流体流量、风速、散热器的布局等。
这些因素会对散热器的散热能力产生影响，需要进行综合考虑。
综上所述，散热器设计的计算公式涉及热功率、散热器尺寸、材料选择等因素。
根据实际需求合理使用这些公式可以确保散热器的有效运作。
大功率器件的散热设计
大功率器件的散热设计目录前言 (1)1.器件的热性能参数 (1)2.散热方式的选择 (2)3.风机选型以及风道设计 (2)4.散热器优化 (3)5.正确的安装 (4)前言随着电子技术的不断发展,大功率器件的发热功耗越来越大、热流密度不断增加。
产品散热设计对产品的可靠性有着至关重要的影响。
要对大功率器件进行良好的散热设计,首先要了解功率器件的热性能指标,然后通过选择合适的散热方式,正确的风道设计以及对散热器进行必要的优化分析，最后规范、正确的安装散热器使器件达到最佳的散热效果。
1.器件的热性能参数器件厂家会提供器件的焊接温度、封装形式、工作温度范围、器件结点温度限制、内部热阻等信息，这是参数是进行散热设计的基础和前提。
下面对一些常用热参数逐一说明：TDP一器件热耗散功耗，单位W（瓦），表示器件实际发热量的大小Tc-器件壳体温度，单位℃Tj-结点温度，单位。
C。
随着结点温度的提高，半导体器件性能将会下降。
结点温度超过最大限制，器件寿命极度下降甚至烧毁。
这是进行热设计关注的焦点。
Ta-环境温度，单位℃Rja-结点到环境的热阻，单位C/WRjc-结点到器件壳的热阻，单位C/W归根到底，热设计主要任务是要满足：TjVTj（max）并留有适当的余量（通常要保证有10%以上余量）。
Tj(max]=P*Rjc+Tc(max)Tc(max)即器件表面的最高温度，很显然散热设计越成功，Tc(max)就会越低。
2 .散热方式的选择系统散热方式的选择应充分考虑系统的发热功耗，温度/体积/重量要求，防护等级，散热装置的可操作性，价格等诸多因素，最终选择最适合自己产品的、有效的散热方式。
散热主要分为：自然散热、强迫风冷。
液体冷却等。
目前普遍采用的散热方式仍然是风冷。
下表反映了不同散热方式状况下热流密度与温升的关系。
642 I1IOT24610^,24610*246 10T Wcm t自然散热：通过空气的自然对流将热量带到周围空间。
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