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半导体散热和结温分析

2018-03-23 Scott Deuty 阅读:
电气设计仅仅是电子产品的开始。散热是创建可靠设计的基础。半导体器件是能量增强型器件,散热在性能和产品生存中起着重要作用。开关功率损耗取决于频率。随着速度的进步,功耗也在增加。因此,有必要知道器件产生多少热量以及如何顺利散发热量。

电气设计只是电子产品的开始,散热是任何可靠设计都要考虑的重要部分。这篇有关散热设计的文章对老练的工程师来说是温故知新,对菜鸟级工程师来说则是一个新的概念。MVpednc

半导体达不到100%的效率,功耗会以热能形式散发和转移。由于半导体是靠电能才能工作的器件,散热无论在性能和产品使用寿命方面都起着重要作用。不管是模拟还是数字器件,情况都一样。开关功耗与频率有关,随着半导体和电子产品速度的提升,功耗随之增加。因此,了解器件会产生多少热能以及如何有效散热是很有裨益的。MVpednc

我们在开始讨论半导体结温议题之前,需要先了解热抗和热阻这两个概念。热抗跟时间有关,而热阻跟稳态工作有关。想象一下在电烤炉上给平底锅加热的情况。需要一段时间才会热起来,对不对?半导体结温也是一样的道理。而热量从半导体结散掉也需要一点时间。明白这个原理是避免器件被烧坏的关键。MVpednc

功耗主要是由于同时存在电压和电流的传导、开关和瞬态动作所导致。功耗的单位是瓦特。电压乘以电流等于功率(瓦特=伏特×安培)。计算一小段时间的功率,就能得出瞬态热温。然后计算出一段时间内的平均值,就可以得到半导体结的稳态温升数值。MVpednc

计算功耗是以瓦特为单位,而热阻就是以每瓦特多少摄氏度(℃/W)来衡量。使用因子标签方法,借用由Diodes公司提出的方法和数学公式,我们可以得到:MVpednc

Rth(JX Θ ) = (Tj –Tx) / PMVpednc

其中P是从半导体结流向“X”点的耗散功率(热量)。理想情况下,在这个测量过程中,接近100%的功耗应该从结流向“X”点。该数值只取决于热流路径的物理属性,而与功耗大小及该器件所在的电路板尺寸无关。MVpednc

请注意,希腊字符“theta(θ)”是以℃/W表示的热阻。借助维基百科来查证,我们可以看到热导通路的热阻无非就是一系列串联的电阻,如图1所示。MVpednc

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图1:热导通路的热阻无非就是一系列串联的电阻。MVpednc


(图片来源:维基百科)MVpednc

MVpednc

现在我们对通路上的温升或温降应该有了基本概念。当然,也有受到外部环境影响的情况,例如高环境温度、空气流动或窒塞,甚至周围器件的发热等。然而,这个公式还是可以让我们了解半导体器件在某些点的温度,这就可以解释为什么表面贴装器件不会直接焊接在印刷电路板(PCB)上。MVpednc

在电气分析中,电阻是不具有时变特性的组件。但是,从以上分析我们知道,半导体器件的阻抗是变化的。为了达到均衡电阻的目的,电气工程师将电容与电阻并联,由此产生指数曲线以抵消由简单的数学公式计算出的电阻变化。从某种意义上说,我认为这是电气工程师由于学不好那些烦人的热力学课程而对机械工程师的报复。MVpednc

作为散热设计的开场白和入门篇,本文就讲这么多吧。一如既往,欢迎反馈意见,以激发更多关于发热/散热主题的讨论。我也提供了一些有价值的参考资料,讲述了半导体结温散热设计方面的问题。TI的应用笔记也解释了封装、表面贴装以及其它一些好东西。另外,来自Diodes公司、科罗拉多大学和Cheggs的参考资料则更深入地涉及了器件物理学方面的知识。MVpednc

物理学?听起来不错的学位,但要拿到可不容易。我很庆幸自己熬过来啦,但现在我的孩子又在遭受化学的煎熬。他想靠汽车设计谋生,不明白为何要学这些没用的知识呢?这些事总是让我想起我在大学物理考试中总是排在全班倒数1/3的惨痛经历。请记住我的经验!实际问题的解决者总是选择去查找答案,而不是硬性记住那些最终会忘记的东西。MVpednc

《电子技术设计》2018年4月刊版权所有,转载请注明来源及链接。MVpednc

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本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Scott Deuty
Scott Deuty是资深电力电子工程师,具有超过30年的工程、营销、业务开发和写作经验。Scott Deuty拥有弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心 (CPES) 硕士学位。
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