大功率电子元器件及设备结构的热设计
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摘 要：电子元器件以及电子设备已经在人们生产生活当中的各个领域内所应用。随着电子元器件的集成度越来越高以及功率要求越来越大，因此必然会引起电器元器件的热效应，因此对于大功率电子元器件或电子设备需要进行热设计。文章对大功率电子元器件及设备结构热设计的考虑因素，设计流程及要求以及主要参数计算等均作了简单阐述，可以对研究大功率电子元器件及设备结构的热设计起到积极作用。
关键词：大功率；电子元器件；电子设备；热设计
前言
随着现代社会的发展，电子设备已经在人们的生产生活当中得到普遍应用。因此电子设备的可靠性对于人们的生产生活具有十分重要的作用。特别是在一些关键或核心领域，即使是一个小的电子元器件出现问题，都极易可能造成极大的危害。特别是近些年随着硅集成电路的普遍应用，电路的集成得到了成倍的增加，因此各电子元器件或芯片的热量也得到了相应的增加。同时在电子产品小型化，高功率的背景下，电子元器件或电子设备的散热问题就成为了保障设备安全可靠的关键性问题。因此对于现代电子元器件或电子设备若想保持安全可靠性就需要采取科学合理的热设计。
1 大功率电子元器件及设备结构热设计的考虑因素
1.1 大功率电子元器件及设备结构的传热方式
大功率电子元器件及设备结构的传热方式有三种，即导热、对流和辐射。其中导热基本是由气体分子不规则运动时相互碰撞，金属自由电子的运动，非导电固体晶格结构的振动以及液体弹性波产生的。对流则是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中，且必然伴随着导热现象。流体流过某物体表面时所发生的热交换过程称为对流。辐射主要为电磁波一般考察与太阳、空间环境间的传热时才考虑，其辐射传热系数为：
1.2 大功率电子元器件结温
从广义上将元器件的有源区称为“结”，而将元器件的有源区温度称为“结温”。元器件的有源区可以是结型器件的Pn结区，场效应器件的沟道区或肖特器件的接触势垒区，也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等，默认为芯片上的最高温度。大功率电子元器件的最高结温，对于硅器件塑料封装为125～150℃，金属封装为150～200℃。对于锗器件为70～90℃当结温较高时（如大于50℃），结温每降低40～50℃，元器件寿命可提高约一个数量级。所以对于航空航天和军事领域应用的元器件，由于有特别长寿命或低维护性要求，并受更换费用限制以及须承受频繁的功率波动，平均结温要求低于60℃。
1.3 大功率电子元器件的热环境
元器件的环境温度是指元器件工作时周围介质的温度。对安装密度高的元器件的环境温度只考虑其附近的对流换热量，而不包括辐射换热和导热。热环境按下列条件设定，冷却剂的种类、温度、压力和速度；设备的表面温度、性质和黑度；电子元器件和设备周围的传热途径。
2 大功率电子元器件及设备结构热设计的流程及要求
2.1 设计流程及要求
大功率电子元器件及设备结构热设计其实质是利用热的传递特性。在设计上利用一些冷却装置进而将电子元器件及设备的热量进行转移。其主要目的就是要为电子元器件及电子设备创造良好的热环境。因此其设计的主要环节为掌握各个环节的热效应参数，并通过合理的冷却装置达到设备可靠性的要求。大功率电子元器件及设备结构热设计的流程为首先明确热设计目的，而后掌握热设计原则，了解热设计的要求和步骤，利用正确的热设计方法最终得出热设计报告。一般热设计的要求应满足电子元器件或电子设备的允许最高工作温度，满足电子元器件或电子设备的热环境工作要求，满足电子元器件或电子设备冷却系统的限制要求，满足相应的国家标准及规范。
2.2 设计原则
（1）电子元器件或电子设备的升温由散热量来控制；（2）大功率电子元器件及设备结构热设计必须选择合理的热传递方式；（3）电子元器件或电子设备的功耗、热阻及温度是设计当中的重要参数；（4）选取冷却系统应注重简单、有效、经济并适用于环境条件的要求；（5）要通盘考虑尺寸、重量、电路布局等综合性因素；（6）热设计需要与电气和机械设计紧密配合并保持实时性；（7）热设计不允许有损于电子元器件或电子设备的电性能；（8）其他具体性要求要根据产品的实际需求综合考虑，并允许出现大的容差。
3 大功率电子元器件及设备结构热设计的主要参数计算
3.1 元器件总热阻
元器件总热阻=内热阻+表面热阻+外热阻，其中内热阻一般由元器件生产商提供与设计和生产方法有关，不是严格意义上的内热阻，不受外部散热翅片或其它散热方式影响。表面热阻为元件封装上表面与散热翅片下表面间隙间的导热接触热阻无法准确预测，即使最准确的实验测量也会有20%的误差。外热阻是电子设备热设计工程师可改变的以散热翅片为例，外热阻与翅片材料的导热系数、翅片效率、表面面积和表面对流换热系数有关。
3.2 热沉和热流分配
热流量经传热途径至最终的部位，通称为“热沉”。它的温度不随传递到它的热量大小而变，它相当于一个无限大的容器，可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，这取决于被冷却设备所处的环境。电子设备内的热流量以多种形式通过不同的路径进行传递，最后达到热沉，使各个节点的温度保持在所要求的数值范围内。从实际传热观点而言，热设计时应利用中间散热器，它们一般都属于设备的一部分。它们可以是设备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。
3.3 理论耗散功耗
电子器件产生的热量是其正常工作时必不可少的副产物。当电流流过半导体或者无源器件时，一部分功率就会以热能的形式散失掉。耗散功率为：Pd=VI
如果电压或者电流随时间变化，则耗散功率由平均耗散功率给出：
3.4 电感和电容
电感电路中没有能量损耗，但是，在储能、释能过程中，电感与电源之间不断地进行着能量互换。这种能量互换的规模通常为无功功率PQ。由两个金属板极并在其间夹有电绝缘介质构成的能够积累电荷、储存电场能量的元件。电容器不消耗电源能量，只是与电源作周期性能量互换。
3.5 冷却方法的选择
温升为40度时，各种冷却方法的热流密度和体积功率密度值。冷却方法可以根据热流密度与温升的要求，按图所示关系进行选择，这种方法适用于温升要求不同的各类设备的冷却。利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控制。而辐射换热则需要比较高的温差，且传热路径不易控制。对流换热需要较大的面积。在安装密度较高的设备内部难以满足要求。
4 结束语
综上所述，大功率电子元器件及设备结构的热设计首先要掌握大功率电子元器件及设备结构的传热方式，大功率电子元器件结温和大功率电子元器件的热环境。在这一基础上通过相应的设计流程和原则对元器件总热阻，热沉和热流分配，理论耗散功耗以及电感和电容等参数进行计算，最终选定冷却方法进而完成大功率电子元器件及设备结构的热设计。
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