不同散熱器配置的對比分析
出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2023-12-19 17:07:06 | 414 次閱讀
電子系統(tǒng)達到的熱效率水平是決定其可靠性的最重要因素之一。過熱的組件可能會遭受無法修復的損壞，危及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并縮短組件的使用壽命。因此，如果您想保證其可靠和安全的運行，那么選擇適合您所使用的電子元件的散熱器是絕對必要的。
在本文中，我們將研究可用于降低 SiC MOSFET（電力系統(tǒng)中常見的一種半導體）溫度的多種散熱器。將進行實驗以確定各種解決方案在熱管理方面的形狀和材料成分方面的功效。本實驗旨在提供對各種散熱器熱性能的基本了解，并確定 MOSFET 散熱的有效解決方案。這兩個目標都將通過確定最佳解決方案來實現(xiàn)。需要選擇最適合其解決方案的散熱器的電子設計人員可能會發(fā)現(xiàn)此信息很有幫助。
候選散熱器
電子散熱器是許多電子應用中的關(guān)鍵組件，特別是在散發(fā)晶體管和 MOSFET 等電子組件產(chǎn)生的熱量方面。電子散熱器的形狀對其散熱方式以及電子元件的性能具有重大影響。它們通常使用高導熱率的材料（例如鋁或銅）制成，并具有更寬的表面積以增加散熱面積。后者還會影響組件周圍的空氣流通。表面形狀也是影響耗散效率的重要因素。用于構(gòu)造散熱器的材料也是其散熱能力的重要因素。用鋁制成的散熱器的導熱率比用銅制成的散熱器低，但它可以更輕、更便宜。銅具有更高的導熱率，使其更適合散熱至關(guān)重要的應用。使用 TO-220 封裝進行的散熱測試（參見圖 1）用于評估其處理所產(chǎn)生熱量的能力。
圖 1：TO-220 封裝，廣泛用于晶體管和 MOSFET
散熱器對于功率器件的正常運行至關(guān)重要，如果沒有散熱器，就會導致功率器件在不可接受的溫度下運行，即使對于較輕的應用也是如此。如前所述，散熱器可以由不同的材料制成；因此，設計人員必須在適當?shù)纳岷蜕崞鞒杀局g找到一個良好的折衷方案。關(guān)鍵參數(shù)之一是熱導率，該參數(shù)標識物質(zhì)通過熱傳導傳遞熱量的能力。下表顯示了某些材料的這一特性。
材料20°C 時的熱導率 (W/mK)
含 5% Ni 的鋼29
鋼含 30% Ni105
水0.63
鋁210
空氣0.026
銀第420章
鐵50
鎳60
金子300
黃銅80
帶領(lǐng)35
銅8900第395章
鋅110
從表中可以看出，構(gòu)建散熱器時使用最多的材料是鋁、銀、金和銅。顯然，白銀和黃金根本不劃算。
暴露表面積
本節(jié)中進行的模擬測試涉及器件達到的最高溫度，改變暴露在空氣中的散熱器表面（鋁），熱系數(shù)為 0.025 mW/mm2/°C，溫度為 20°C。此外，該器件的背面承受 30 mW/mm2 的功率。圖 2 顯示了模擬獲得的結(jié)果，更重要的是，顯示了系統(tǒng)運行期間器件達到的理論最高溫度。模擬涵蓋以下場景，溫標在 20°C 至 100°C 之間：
設備在上述條件下運行，無需任何散熱器。達到的最高溫度約為 506°C，可安全銷毀組件。
設備采用平行六面體形狀的散熱器，暴露表面積為 8,780 mm 2。達到的最高溫度約為 64°C，散熱器的平均溫度約為 36°C，以確保設備正常運行。
設備采用形狀復雜的散熱器，帶有許多散熱片，使暴露的表面積擴大了 41,080 mm 2。達到的最高溫度約為 51°C，散熱器的平均溫度約為 26°C，以實現(xiàn)最佳設備運行。
設備采用平行六面體形狀的散熱器，暴露表面積為 2,195 mm 2。達到的最高溫度約為 95°C，散熱器的平均溫度約為 73°C，設備運行良好。
在本文中，我們將研究可用于降低 SiC MOSFET（電力系統(tǒng)中常見的一種半導體）溫度的多種散熱器。將進行實驗以確定各種解決方案在熱管理方面的形狀和材料成分方面的功效。本實驗旨在提供對各種散熱器熱性能的基本了解，并確定 MOSFET 散熱的有效解決方案。這兩個目標都將通過確定最佳解決方案來實現(xiàn)。需要選擇最適合其解決方案的散熱器的電子設計人員可能會發(fā)現(xiàn)此信息很有幫助。
候選散熱器
電子散熱器是許多電子應用中的關(guān)鍵組件，特別是在散發(fā)晶體管和 MOSFET 等電子組件產(chǎn)生的熱量方面。電子散熱器的形狀對其散熱方式以及電子元件的性能具有重大影響。它們通常使用高導熱率的材料（例如鋁或銅）制成，并具有更寬的表面積以增加散熱面積。后者還會影響組件周圍的空氣流通。表面形狀也是影響耗散效率的重要因素。用于構(gòu)造散熱器的材料也是其散熱能力的重要因素。用鋁制成的散熱器的導熱率比用銅制成的散熱器低，但它可以更輕、更便宜。銅具有更高的導熱率，使其更適合散熱至關(guān)重要的應用。使用 TO-220 封裝進行的散熱測試（參見圖 1）用于評估其處理所產(chǎn)生熱量的能力。
圖 1：TO-220 封裝，廣泛用于晶體管和 MOSFET散熱器對于功率器件的正常運行至關(guān)重要，如果沒有散熱器，就會導致功率器件在不可接受的溫度下運行，即使對于較輕的應用也是如此。如前所述，散熱器可以由不同的材料制成；因此，設計人員必須在適當?shù)纳岷蜕崞鞒杀局g找到一個良好的折衷方案。關(guān)鍵參數(shù)之一是熱導率，該參數(shù)標識物質(zhì)通過熱傳導傳遞熱量的能力。下表顯示了某些材料的這一特性。
材料20°C 時的熱導率 (W/mK)
含 5% Ni 的鋼29
鋼含 30% Ni105
水0.63
鋁210
空氣0.026
銀第420章
鐵50
鎳60
金子300
黃銅80
帶領(lǐng)35
銅8900第395章
鋅110
從表中可以看出，構(gòu)建散熱器時使用最多的材料是鋁、銀、金和銅。顯然，白銀和黃金根本不劃算。
暴露表面積
本節(jié)中進行的模擬測試涉及器件達到的最高溫度，改變暴露在空氣中的散熱器表面（鋁），熱系數(shù)為 0.025 mW/mm2/°C，溫度為 20°C。此外，該器件的背面承受 30 mW/mm2 的功率。圖 2 顯示了模擬獲得的結(jié)果，更重要的是，顯示了系統(tǒng)運行期間器件達到的理論最高溫度。模擬涵蓋以下場景，溫標在 20°C 至 100°C 之間：
設備在上述條件下運行，無需任何散熱器。達到的最高溫度約為 506°C，可安全銷毀組件。
設備采用平行六面體形狀的散熱器，暴露表面積為 8,780 mm 2。達到的最高溫度約為 64°C，散熱器的平均溫度約為 36°C，以確保設備正常運行。
設備采用形狀復雜的散熱器，帶有許多散熱片，使暴露的表面積擴大了 41,080 mm 2。達到的最高溫度約為 51°C，散熱器的平均溫度約為 26°C，以實現(xiàn)最佳設備運行。
設備采用平行六面體形狀的散熱器，暴露表面積為 2,195 mm 2。達到的最高溫度約為 95°C，散熱器的平均溫度約為 73°C，設備運行良好。
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