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散热器功率管使用导热材料解析

新闻来源: 发布日期:2016-01-14 09:13:50发布人:环亚ag丰小张

  散热器功率管使用导热材料解析

  功率管的散热过程:

由于散热器底面与功率管表面之间会存在很多沟壑或空隙,其中都是空气。由于空气是热的不良导体,所以空气间隙会严重影响散热效率,使散热器的性能大打折扣,甚至无法发挥作用。为了减小功率管和散热器之间的空隙,增大接触面积,必须使用导热性能好的导热材料来填充,导热硅酯、导热硅(矽)胶垫。如下图所示,芯片发出的热量通过导热材料传递给散热器,再通过风扇的高速转动将绝大部分热量通过对流(强制对流和自然对流)的方式带走到周围的空气中,强制将热量排除,这样就形成了从功率管,然后通过散热器和导热材料,到周围空气的散热通路。

 

  在图的一维热传导热模型中,达到热平衡 后,热传导遵循傅立叶传热定律:

  Q=K·A·(T1-T2)/L

  (1) 式中:Q为传导热量(W);K为导热系数(W/m℃);A为传热面积(m2);L为导热长度(m)。(T1-T2)为温度差。热阻R表示单位面积、单位厚度的材料阻止热量流动的能力,表示为: R=(T1-T2)/Q=L/K·A

  (2) 对于单一均质材料,材料的热阻与材料的厚度成正比;对于非单一材料,总的趋势是材料的热阻随材料的厚度增加而增大,但不是纯粹的线形关系。对于界面材料,用特定装配条件下的热阻抗来表征界面材料导热性能的好坏更合适,热阻抗定义为其导热面积与接触表面间的接触热阻的乘积,表示如下:

  Z=(T1-T2)/(Q/A)=R·A

(3) 表面平整度、紧固压力、材料厚度和压缩模量将对接触热阻产生影响,而这些因素又与实际应用条件有关,所以界面材料的热阻抗也将取决于实际装配条件。导热系数指物体在单位长度上产生1℃的温度差时所需要的热功率,是衡量固体热传导效率的固有参数,与材料的外在形态和热传导过程无关,而热阻和热阻抗是衡量过程传热能力的物理量。


  如图的热传导过程中,总热阻R为:

  R=R1+R2+R3

  (4) 式中:R1为芯片的热阻;R2为导热材料的热阻;R3为散热器的热阻。导热材料的热阻R2为: R2=Z/A

  (5) 式中:Z为导热材料的热阻抗,A为传热面积。芯片的工作温度T2为: T2=T1+P×R

(6) 式中:T1为空气温度;P为芯片的发热功率;R为热传导过程的总热阻。芯片的热阻和功率可以从芯片和散热器的技术规格中获得,散热器的热阻可以从散热器的技术规格中得到,从而可以计算出芯片的工作温度T2。实例:已知功率管的管芯至管壳的热阻为Rt1=1.2℃/W,管壳至散热器的导热硅(矽)胶垫热阻为Rt2=2.0℃/W, 散热器至自由空气的热阻为Rt3=10℃/W,环境温度为50℃,如功率管导通电阻为0.3欧姆,导通平均电流为20安培,工作半小时后,管芯温度大约为:


  由上两个图知道:

  Rt=Rt1+Rt2+Rt3=13.2℃/WPc=0.3×20=6W

  再根据 Pc×Rt=T4-T1 T1=50℃

  故: T4=6W×13.2℃/W+50℃=129.2℃

  这些温度的计算只能作为参考,一是不便于测量,二是Rt2和Rt3在不同的位置的温度也不一样。

  当前对于电源内部热传导相关的研究还没有引起人们的正视,在这方面的研究也很少,很难找到在设计大功率电源在内部热传导相关的可以直接引用得理论依据。但是从电源的设计人员的经验可以知道,电源内部热传导对整机的性能起着相当重要的作用,如果利用胶体将电源内部的主要发热器件产生的热量及时快速的传导到机壳上,再利用外界的对流散热,将十分有利于电源整机温度的降低,这将为电源的寿命和稳定性起到长远的保证。

 

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