半导体器件的散热器设计
半导体开关器件所产生的热量，在开关电源中占主导地位，其热量主要来源于半导体开关器件的开通、 关断及导通损耗。采用软开关方式（ZCS 或ZVS ）可以使电路中的电压或电流在过零时开通或关断，可以最 大限度地减少开关损耗，但是也无法彻底消除开关管的损耗，故利用
散热器是常用的主要方法之一。 1 散热器的热阻模型
散热器是开关
电源的重要组成元件，它的散热效果的好与坏关系到开关电源的工作性能。散热器通常采 用铜或铝，虽然铜的热导率比铝高两倍，但其价格比铝高得多，故目前普遍采用铝型材做散热器。铝型材 的表面积越大，其散热效果越好。散热器的热阻模型及其等效电路如图1（a ）、（b ）所示。
图1 散热器的热阻模型及其等效电路
半导体结温公式如下：
式中 PC ——功率开关管工作时的损耗；
PC max——功率开关管的额定最大损耗；
Tj ——功率开关管的结温；
Tj max——功率开关管的最大允许结温；
Ta ——环境温度；
Tc ——预定的工作环境温度；
Rs ——绝垫热阻；
Rc ——接触热阻（半导体管和散热器的接触部分）；
Rf ——散热器的热阻（散热器与空气）；
Ri ——内部热阻（PN 结接合部与外壳封装）；
Rb ——外部热阻（夕卜壳封装与空气）。
根据图（b ）所示的热阻等效电路，全热阻可以写成为
R j -a=Ri +[Rb .(Rs +Rc +Rf )]/(Rb +Rs +Rc +Rf )
因为R b 》（R s +Rc +Rf ）, 故可以近似认为
R j -a=Ri +Rs +Rc +Rf
（1）PN 结与外部封装之间的热阻抗（又叫内部热阻抗）R i 与半导体PN 结构造、所用材料、外部封装内的填充物直接相关，每种半导体都有自身圃有的热阻抗。
（2）接触热阻抗Rc 是由半导体、封装形式和散热器的接触面状态所决定的。接触面的平坦度、粗糙度、接触面积、安装方式等，都会对它产生影响。当接触面不平整、不光滑或接触面紧固力不足时，就会增大接触热阻抗Rc 。在半导体管和散热器之间涂上硅油时，可以增大接触面积，排除接触面之间的空气，硅油本身又具有良好的导热性，可以大大降低接触热阻抗Rc 。
当前有一种新型的相变材料，专门设计用以采取代硅油作为传热界面，在65℃（相变温度）时从固体变为流体，从而可以确保界面的完全润湿，该材料的触变特性可以使其避免流到界面外。它的传热效果与硅油相当，但没有硅油带来的污垢，环境污染和难以操作的缺点。可以用于不需要电气绝缘的场合。典型的应用包括CPU 散热片、功率转换模块，或者其他任何簧片固定的硅油应用场合，它可以涂布在铝质基材的两面，可以单面附胶、双面附胶或不附胶。
（3）绝缘垫热阻Rs 。绝缘垫用于半导体器件和散热器之间的绝缘，绝缘垫的热阻抗R ，取决于绝缘材料的材质、厚度和面积。表1中列出了几种常用半导体封装形式的Rs+Rc。
表1 几种封装形式的R s +Rc
（4）散热器热阻抗R f 。散热器的热阻抗R f 与散热器的表面积、表面积处理方式、散热器表面空气的风速、散热器与周围的温度差有关。因此一般都会设法增强散热器的散热效果，主要的方法有增加散热器的表面积、设计合理的散热风道、增加散热器表面的风速等。散热器的散热面积设计值如图2所示。 但是如果过于追求散热器的表面积，而使散热器的叉指过于密集则会影响到空气的对流，热空气不易于流动也会降低散热效果。自然风冷时散热器的叉指间距应适当增大，选择强制风冷时，则可以适当减小叉指的间距，如图3所示。
图2 散热器的散热面积设计
值 图3 散热器的叉指间距选
择
（5）散热器的表面积计算。
式中 △T ——散热器温度与周围环境温度（Ta ）之差（℃）；
α——传导系数，是由空气的物理性质及空气流速决定的。
α的值可以表示为
式中λ——热电导率由空气的物理性质决定； L ——散热器高度；
Nu ——空气流速系数。
凡的值由式（14－ 13）决定
式中 V ——动黏性系数，是空气的物理性质； V' ——散热器表面的空气流速； Pr ——参数（见表2）。
半导体器件的散热器设计
半导体开关器件所产生的热量，在开关电源中占主导地位，其热量主要来源于半导体开关器件的开通、 关断及导通损耗。采用软开关方式（ZCS 或ZVS ）可以使电路中的电压或电流在过零时开通或关断，可以最 大限度地减少开关损耗，但是也无法彻底消除开关管的损耗，故利用
散热器是常用的主要方法之一。 1 散热器的热阻模型
散热器是开关
电源的重要组成元件，它的散热效果的好与坏关系到开关电源的工作性能。散热器通常采 用铜或铝，虽然铜的热导率比铝高两倍，但其价格比铝高得多，故目前普遍采用铝型材做散热器。铝型材 的表面积越大，其散热效果越好。散热器的热阻模型及其等效电路如图1（a ）、（b ）所示。
图1 散热器的热阻模型及其等效电路
半导体结温公式如下：
式中 PC ——功率开关管工作时的损耗；
PC max——功率开关管的额定最大损耗；
Tj ——功率开关管的结温；
Tj max——功率开关管的最大允许结温；
Ta ——环境温度；
Tc ——预定的工作环境温度；
Rs ——绝垫热阻；
Rc ——接触热阻（半导体管和散热器的接触部分）；
Rf ——散热器的热阻（散热器与空气）；
Ri ——内部热阻（PN 结接合部与外壳封装）；
Rb ——外部热阻（夕卜壳封装与空气）。
根据图（b ）所示的热阻等效电路，全热阻可以写成为
R j -a=Ri +[Rb .(Rs +Rc +Rf )]/(Rb +Rs +Rc +Rf )
因为R b 》（R s +Rc +Rf ）, 故可以近似认为
R j -a=Ri +Rs +Rc +Rf
（1）PN 结与外部封装之间的热阻抗（又叫内部热阻抗）R i 与半导体PN 结构造、所用材料、外部封装内的填充物直接相关，每种半导体都有自身圃有的热阻抗。
（2）接触热阻抗Rc 是由半导体、封装形式和散热器的接触面状态所决定的。接触面的平坦度、粗糙度、接触面积、安装方式等，都会对它产生影响。当接触面不平整、不光滑或接触面紧固力不足时，就会增大接触热阻抗Rc 。在半导体管和散热器之间涂上硅油时，可以增大接触面积，排除接触面之间的空气，硅油本身又具有良好的导热性，可以大大降低接触热阻抗Rc 。
当前有一种新型的相变材料，专门设计用以采取代硅油作为传热界面，在65℃（相变温度）时从固体变为流体，从而可以确保界面的完全润湿，该材料的触变特性可以使其避免流到界面外。它的传热效果与硅油相当，但没有硅油带来的污垢，环境污染和难以操作的缺点。可以用于不需要电气绝缘的场合。典型的应用包括CPU 散热片、功率转换模块，或者其他任何簧片固定的硅油应用场合，它可以涂布在铝质基材的两面，可以单面附胶、双面附胶或不附胶。
（3）绝缘垫热阻Rs 。绝缘垫用于半导体器件和散热器之间的绝缘，绝缘垫的热阻抗R ，取决于绝缘材料的材质、厚度和面积。表1中列出了几种常用半导体封装形式的Rs+Rc。
表1 几种封装形式的R s +Rc
（4）散热器热阻抗R f 。散热器的热阻抗R f 与散热器的表面积、表面积处理方式、散热器表面空气的风速、散热器与周围的温度差有关。因此一般都会设法增强散热器的散热效果，主要的方法有增加散热器的表面积、设计合理的散热风道、增加散热器表面的风速等。散热器的散热面积设计值如图2所示。 但是如果过于追求散热器的表面积，而使散热器的叉指过于密集则会影响到空气的对流，热空气不易于流动也会降低散热效果。自然风冷时散热器的叉指间距应适当增大，选择强制风冷时，则可以适当减小叉指的间距，如图3所示。
图2 散热器的散热面积设计
值 图3 散热器的叉指间距选
择
（5）散热器的表面积计算。
式中 △T ——散热器温度与周围环境温度（Ta ）之差（℃）；
α——传导系数，是由空气的物理性质及空气流速决定的。
α的值可以表示为
式中λ——热电导率由空气的物理性质决定； L ——散热器高度；
Nu ——空气流速系数。
凡的值由式（14－ 13）决定
式中 V ——动黏性系数，是空气的物理性质； V' ——散热器表面的空气流速； Pr ——参数（见表2）。