热设计基础及热量传递的主要形式

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@小白创作中心

热设计基础及热量传递的主要形式

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https://community.infineon.com/t5/%E7%9F%A5%E8%AF%86%E5%BA%93%E6%96%87%E7%AB%A0/%E7%83%AD%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E5%9F%BA%E7%A1%80%E5%8F%8A%E7%83%AD%E9%87%8F%E4%BC%A0%E9%80%92%E7%9A%84%E4%B8%BB%E8%A6%81%E5%BD%A2%E5%BC%8F/ta-p/436325

功率半导体器件在开关和导通电流时会产生损耗，损失的能量会转化为热能，表现为半导体器件的发热。因此，功率器件是电路中最容易受到损坏的器件，损坏的大部分原因是由于管子的结温超过了最大允许工作结温。

目前基于Si材的IGBT器件的最大允许工作结温一般是150℃，最新技术的可达175℃（具体标准在产品手册中给出）。耗散功率是指在一定条件下使结温不超过最大允许值时的电流与电压乘积。功率器件消耗的功率越大, 结温越高。要保证结温不超过允许值，就必须将产生的热量散发出去。散热条件越好，则对应于相同结温允许的管耗越大，输出也就越大。因此功率器件的散热问题是至关重要的。

图1. IGBT模块散热系统

热传导

热传导是指固体或液体之间因为温度差而产生的热量传递或扩散。例如，固体内部的热量传递和不同固体通过接触面的热量传递都是热传导现象。IGBT模块内的芯片向壳体外部传递热量主要就是通过垂直方向上的热传导完成的。

热传导的特性可以类比为电气工程中的欧姆定律，如下图2所示。热能工程中的热源就像电气工程中的电源，热能工程中的受热体就像是电气工程中的负载。而且，正如电气工程存在无源元件，热能工程也有类似的器件。而且，热能工程中的热组Rth 、热容Cth、瞬态热阻抗Zth的特性表现可以类比与电气工程中的电阻Rel、电容Cel和瞬态阻抗Zel。

图2. 电气工程与热能工程之间的相似性

在热传导中还有一个影响半导体散热的重要物理效应：热的横向传导。这个术语指热能在热导体内可以立体交叉传输，即热流量不仅能垂直传导也可以横向传导。如果热源的热流Pth,C从一个有限面向另一个面积更大的热导体传导，热流量的出口面积Aout比进口表面积Ain大，如图3所示。

图3. 平板中热的横向传导

出口表面积Aout比进口表面积Ain大多少取决于两个因素：

平板的厚度d;
热扩散角α。

在图3中示意的热源假定为正方形热源，在热的横向传导时，则热导体的热阻值可以近似计算为：

式中，ain 为入口表面Ain的边长（m），α为材料的热扩散角，表示热导体的一种特性。

从图3的示意及上面的公式中，也可以看出带底板（Baseplate）的IGBT模块在实际系统中热性能表现会更好，原因即在于热量从芯片传导至散热器的过程中，同时伴随有热的横向传导，而模块底板则对芯片的热源面积进行了有效放大。

热辐射

辐射是通过电磁波来传递能量的过程，热辐射是由于物体的温度高于绝对零度时发出电磁波的过程，两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。因此，热辐射是不受基本粒子约束的热能传播，甚至在真空中也可以发生。

需要注意的是，每一个散热体不仅可以发出热辐射，也可以吸收辐射。就电力电子技术领域来说，常见的热辐射源就是散热器。只要它的温度比环境温度高，就会辐射热能。但这并不适用于散热器中散热片之间的区域，那里的热辐射会被反射。当T=T0时，吸收、发射和反射之间会形成平衡。图4为散热器的热辐射图解。

图4. 散热器的热辐射图解

与散热器的表面水冷、强制风冷、或对流冷却相比，由辐射引起的热传递效应几乎可以忽略不计。然而对于非接触式温度测量，比如：红外成像仪测温，则大不相同。因为这种测量方式所有的测量过程都是基于热辐射原理，所以发射因子ε非常重要。这也是为什么被测部件（如PCB或IGBT模块），在热成像时要涂成黑色的原因。否则，IGBT芯片的铝表面只有约0.02的发射因子，这样想要像图5中对芯片准确测温将不可能。

图5. IGBT模块工作时的热成像