如何計(jì)算散熱器

散熱器通常用于吸收和散發(fā)來自電子功率器件（如晶體管、可控硅、三端雙向可控硅等）的過多熱量，以便將器件溫度控制在其最大可容忍極限以下。

金屬鋁通常用作散熱器材料，因?yàn)樗哂谐錾膶?dǎo)熱性，并且與銅等其他金屬相比價(jià)格相對較低。

散熱器的尺寸決定了來自設(shè)備的熱量被吸收和分散到空氣中的速度和最佳狀態(tài)。

如果所選散熱器太小，則可能無法完成預(yù)期的冷卻，如果太大，則會影響電子電路的緊湊性和成本。

為了確保半導(dǎo)體器件的散熱器尺寸最佳，始終建議使用公式準(zhǔn)確計(jì)算參數(shù)，以便確定相當(dāng)準(zhǔn)確的散熱器尺寸。

對流

自然對流可以定義為通過氣體或流體循環(huán)的傳熱過程。在我們的例子中，這是通過室溫下的環(huán)境空氣發(fā)生的，這是用于冷卻半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在電子設(shè)備中，對流傳熱與暴露的金屬的表面積、穿過設(shè)備表面的空氣力以及兩者之間的溫差成正比。

在考慮散熱器時(shí)，功率半導(dǎo)體被視為一個(gè)組件。

因此，設(shè)備產(chǎn)生的熱量當(dāng)量（以瓦特為單位）等于其兩端的壓降乘以流過它的電流，再乘以時(shí)間因子（打開的時(shí)間百分比，除以 100）。這是散熱器應(yīng)該分散到大氣中的絕對溫度。

這是基本線性電源半導(dǎo)體的快速計(jì)算。半導(dǎo)體功率開關(guān)晶體管的公式可能要復(fù)雜得多。

對于音頻放大器，我們可能需要計(jì)算耗散。在任何情況下，在計(jì)算要耗散的熱量等同于以瓦特為單位的熱量時(shí)，您可能都希望盡可能精確和保守。

嘗試在數(shù)據(jù)表上查找要安裝在散熱器上的半導(dǎo)體器件的結(jié)到殼熱阻和外殼到吸電流熱阻。

這些阻抗大小可以在°C/W中找到。這意味著，對于結(jié)點(diǎn)耗散的每一瓦熱功率，這將比外殼溫度高一定量的°C，反之亦然。

如果要將器件結(jié)溫保持在100°C或以下，并且其數(shù)據(jù)手冊中的結(jié)殼熱阻值為10°C/W，則7.5瓦的功率輸出可能會導(dǎo)致結(jié)溫上升到100°C。即使外殼溫度保持在恒定的 25° C（可能是通過將設(shè)備置于流水中），也可能發(fā)生這種情況。

對于國際整流器 IRFZ40 MOSFET 之類的產(chǎn)品，常見的結(jié)殼熱阻 （ZJC） 為 1° C/W，BJT 2N3055 為 1.52° C/W。

外殼到吸電流的熱阻（Z.cs） 對于 TO-220 外殼，則為 1° C/W，對于 TO-3 情況，為 0.12° C/W。當(dāng)您無法訪問特定器件的數(shù)據(jù)表時(shí)，您可以嘗試使用上述數(shù)字作為參考來估計(jì)特定半導(dǎo)體器件的結(jié)殼熱阻。

散熱片設(shè)計(jì)參數(shù)

晶體管結(jié)可以達(dá)到的最高溫度是多少？一些電路設(shè)計(jì)人員將半導(dǎo)體器件的最高結(jié)溫固定在80°C。

這是因?yàn)椋哂诖藴囟葧?yán)重?fù)p害器件性能，并可能導(dǎo)致熱失控情況，這對雙極晶體管構(gòu)成嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。

始終對制造商關(guān)于最大瓦特值和結(jié)溫的數(shù)據(jù)表注釋持保留態(tài)度。這些結(jié)果僅適用于設(shè)備持續(xù)冷卻到 25°C 的舒適溫度的情況。

了解環(huán)境溫度和散熱器溫度

環(huán)境溫度究竟意味著什么？請記住，晶體管可以封裝在一個(gè)盒子里，其中其他散熱設(shè)備可能會增加環(huán)境空氣溫度。如果您確信正常的室內(nèi)氣流能夠在設(shè)備之間自由移動，則可以預(yù)期 25° C 是環(huán)境溫度值，但您可能需要非常謹(jǐn)慎。

請記住，在夏季，環(huán)境溫度可能會上升到 100° F = 38° C。有了這些數(shù)據(jù)，您可以計(jì)算ΔT，即未知的散熱器尺寸與有助于冷卻的空氣之間的預(yù)測溫差。

ΔT = T馬克斯·- [Wj x （ ZJC+ Z.cs）] -T機(jī) 管 局

其中 Z杰克表示結(jié)到外殼的熱阻，Z.cs符號化外殼到吸電流的熱阻，T機(jī) 管 局表示環(huán)境空氣溫度，T美杰定義最高結(jié)溫，Wj表示結(jié)瓦數(shù)。

假設(shè)我們希望使用2N3055 晶體管來驅(qū)動消耗 3 安培的電機(jī)。您可能會注意到晶體管在這種電流大小下會下降 1.2 伏，您可能還會注意到最高占空比為 50% 或 0.5。

因此，功耗將為 3 x 1.2 x 0.5 = 1.8 瓦。如果采用最高結(jié)溫 80° C 和最低結(jié)溫 25° C 的環(huán)境空氣，則 ΔT 可以計(jì)算如下：

ΔT = 80 - [1.8 x （1.52 + 0.12）] - 25

ΔT = 52° C

在這種情況下，ΔT計(jì)算表明，投影散熱器可能比空氣至少高52°C。因此，這個(gè)散熱器應(yīng)該有多大？

以下公式用于確定解決方案：

A = （WJx 5630） / ΔT5/4

其中 A 表示散熱器垂直表面的面積，單位為 cm2.如果你想用 in 計(jì)算它2，您可以使用以下公式：

A = （WJx 872.6） / ΔT5/4

考慮到 2N3055 BJT 示例，并通過應(yīng)用上述2等式，我們得到以下結(jié)果：

A = （1.8 x 872.6） / 525/4

A = 11.2 英寸2

結(jié)果表明，需要至少具有11.2平方英寸垂直表面積暴露在自由空氣中的散熱器來冷卻2N3055晶體管。

并聯(lián)晶體管散熱器

現(xiàn)在假設(shè)您想將兩個(gè)或多個(gè)具有相似特性的半導(dǎo)體器件放在單個(gè)公共散熱器上（并聯(lián)），以便它們消耗等效電流。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，您可以計(jì)算該對的熱功率并將熱阻除以設(shè)備數(shù)量，假設(shè)它們是單個(gè)設(shè)備。具有不同規(guī)格的半導(dǎo)體器件應(yīng)放置在單獨(dú)的散熱器上。

并聯(lián)式場效應(yīng)管

讓我們考慮這個(gè)例子。在低壓開關(guān)電源中，兩個(gè) IRFRZ40 功率 MOSFET 并聯(lián)連接。預(yù)計(jì)通過兩個(gè)MOSFET的電流將達(dá)到40安培，占空比可能超過80%。在 80° C 時(shí)，IRFZ40 的導(dǎo)通電阻（FET 傳導(dǎo)）可能在 0.036 歐姆左右。因此，并聯(lián)對對 40 安培的電阻為 0.018 歐姆，產(chǎn)生 0.018 x 40 x 0.8 = 23 瓦。想象一下夏季最壞情況下的溫度為38°C，例如沙漠的環(huán)境條件，我們可以估算散熱器尺寸，如下所示：

ΔT = 80 - [23 x （0.5 + 0.5）] - 38

ΔT = 19° C

上述結(jié)果表明，散熱器溫度可能比環(huán)境溫度高 19° C

現(xiàn)在，使用上述數(shù)據(jù)，我們可以使用以下計(jì)算來確定最佳散熱器尺寸：

A= （23 x 872.6） / 195/4

A = 506 平方英寸。

506平方英寸的結(jié)果可能看起來太大，但是一個(gè)普通的大散熱器尺寸為5 x 4 x 25/8表面積為 250 平方英寸的英寸可能需要額外的英寸才能有效散熱。

顯然，如此大的散熱器可能很昂貴，如果成本高于設(shè)備本身，則可能需要使用更多數(shù)量的并聯(lián)晶體管重新配置電路。這種方法可能會降低器件的傳導(dǎo)電阻，從而降低必須散發(fā)的熱量。