电子电路散热基本知识介绍

　　一、热的传播及温度——热流方程
　　热的传播有三种方式，即传导、对流和辐射。传导是由分子运动引起的。位于高温处的分子具有较高的动能，这些动能通过分子之间的碰撞从一个传向另一个，从而向周围传播。采用散热器的散热装置，在散热器与空气的接触面上，能量是靠传导方式由散热器分子传向空气分子的。在对流方式中，空气会因温差而自行流动，或者在风机作用下强迫流动，于是将热能带走。在辐射方式中，能量不是靠物质运动，而是靠包括从紫外线到红外线的所有不同波长的电磁波来传播的。
　　由此可见，热是能量存在的一种方式，而热的传播是能量的流动。这种能量的流动叫热流量，简称热流。
　　假如把阻碍散热的能力叫热阻的话，就可以把描述电学的量与描述热学的量列表进行对比(见表30-1)。从表中不难看出，电压与温度、电流与热流、电阻与热阻有相互对应的关系。
　　因此，热流的问题可以等同于电学中的电流对待，半导体器件散热系统同样可以按电路中的欧姆定律来处理。由热学的基本关系可得下式：
　　△     T=φ·θ
　　上式就是温度一热流方程，它说明温度的变化是由热流和热阻产生的。温度～热流方程是欧姆定律在热学中的体现，它是处理半导体器件散热问题的理论依据。
　　二、散热系统常用术语
　　1．热路
　　热路即热传导通过的路径，现以半导体器件来说明。半导体器件的热量产生于PN结，热量通过器件内部结构传到器件外壳，再散发到周围的空气中。由于半导体器件的外壳不可能制作得很大，外壳和空气的接触面积不够大，所以大功率半导体器件都要采用散热板扩大其外壳和空气的接触面积，加快散热过程。因此，大功率半导体器件的热路为PN结一管壳一散热板一空气。
　　2．热阻
　　热阻是热传导路径上的阻力，表示热传导过程中每散发掉1w功率的热量，热路两端需要的温度之差，其符号为RT，单位为℃／W。热阻的串并联关系与电路中电阻的串并联计算方法相同。
　　如图30-1所示。半导体功率器件的热路中一般由三个热阻串联而成，它们是：
　　①从发热的PN结到器件外壳的热阻θjc。
　　②从管壳到散热板的热阻θcs。这是两个金属接触面间的热阻。由于管壳与散热板之间需加绝缘垫片，而绝缘垫片一般传热性不好，所以存在一定的热阻。
　　③散热板与空气间的热阻θsa,它与散热板的材质和空气的接触面积有关。
　　3．散热器
　　基于热源(半导体器件)和周围空气之间温差和热阻而运作的热量散失器件叫做散热器。
　　4．散热器功能
　　因源于半导体器件热量传输有效面积的增加，因而散失热量也增大。
　　5．自然对流
　　自然对流是指围绕或通过散热器空气的运动系因温差和浮力效应而产生。
　　6．强制对流
　　强制对流指空气的运动系因力学手段而产生，如风机或鼓风机。
　　7．散热器特性
　　一般可用热阻和散热器容积的关系表示，即散热器容积越大，热阻越低，则特性越好。增加空气经过散热器的流速(由自然对流改为强制对流)是降低热阻的有效方法。　　三、半导体器件的发热和散热
　　这里以半导体三极管为例进行介绍。半导体三极管的热量是由集电极和发射极的PN结产生的。由于集电结工作时加反向偏置电压，有很高的电阻，所以会产生很多的热量。实际上集电结产生的热量远远大于加正向偏压的发射结，因而可以将发射结产生的热量忽略。此时半导体三极管的耗散功率为：
　　PD=Ic·VCE
　　式中：PD——耗散功率；
　　Ic——集电极电流；
　　VCE——集电极与发射极之间的电压。
　　耗散功率Pn就是半导体三极管需要散发的热流。当热流遇到热阻时，就会使三极管的温度升高。
　　不同的半导体所承受的最高温度是不同的，如锗为85℃～100℃，而硅为150℃～200℃。虽然不同半导体都有不同的最高工作温度，但却不能让它们在高温条件下工作，这是因为半导体器件的性能会随温度的升高而下降。图30-3给出了一个大功率半导体三极管的最大耗散功率与外壳温度的关系曲线。当温度低于25℃时，最大耗散功率可达90W；当高于此温度后，最大耗散功率呈线性下降。因此，必须给大功率半导体三极管增加散热装置，改善散热条件，使其能正常工作。