如何计算散热器

散热对于电路中的功率器件来说是至关重要的，以便使其性能最大化。当电源设备的热量不能很快被移走时，电源设备及其运行元件可能会受到损坏。你可以用几个简单的公式来计算半导体在工作时的温度。如果你猜错了，使用公式可以消除猜测和因猜错而产生的焦虑。

散热器通常用于吸收和消散电子功率器件(如晶体管、可控硅、可控硅等)的过多热量，使器件的温度可控制在其最大容许极限以下。

通常使用金属铝作为散热片的材料，因为它导热性好，而且与铜等其他金属相比价格相对较低。

散热器的大小决定了设备的热量吸收和分散到空气中的速度和最佳程度。

如果选择的散热片太小，可能无法达到预期的散热效果;如果选择的散热片太大，则会影响电子电路的体积和成本。

为了确保半导体器件的散热片的最佳尺寸，总是建议使用公式精确地计算参数，这样就可以确定一个相当精确的散热片尺寸。

对流

自然对流可以定义为气体或流体循环的传热过程。在我们的例子中，这是通过室温下的环境空气来实现的，这是用于冷却半导体的设计目标。

在电子设备中，对流传热与暴露的金属表面积、穿过设备表面的空气力量以及两者之间的温差成正比。

在考虑散热器时，功率半导体被视为一个组件。

因此，设备产生的热当量(瓦特)等于通过它的电压降，乘以流过它的电流，再乘以时间因子(接通电源的时间百分比，除以100)。这是散热器扩散到大气中的绝对温度。

这是一个基本线性电源半导体的快速计算。半导体功率开关晶体管的方程可能要复杂得多。

在音频放大器的情况下，我们可能需要计算损耗。在任何情况下，您可能想要尽可能精确和保守的计算热量耗散当量的热量瓦特。

试着查一下junction-to-case热阻抗以及将安装在散热器上的半导体设备的数据表上的case-to-sink热阻抗。

这些阻抗值可以在°C每瓦特。这意味着，对于由结耗散的每瓦特热量，这将比外壳温度高一定数量的°C，反之亦然。

如果要将设备结温保持在100℃或以下，且其连接到外壳的热阻抗值为10℃/瓦特，那么7.5瓦的功率输出可能会导致结温度上升到100°C。即使外壳温度保持在25°C(可能通过让设备接触流动的水)，这种情况也可能发生。

对于类似国际整流IRFZ40 MOSFET的东西，常见的结-壳热阻抗(ZJC)是1°C/W，而这是1.52°C/W的BJT 2N3055。

壳体-sink热阻抗(Z_cs)，对于TO-220外壳为1°C/W，对于TO-3外壳为0.12°C/W。当您无法访问特定器件的数据表时，您可以使用上面提到的数字作为参考，尝试估算特定半导体器件的结-壳热阻抗。

散热片设计参数

晶体管的结能达到的最高温度是多少?一些电路设计人员将半导体器件的最大结温固定在80°C。

这是因为，高于此温度会严重损害器件的性能，并可能导致热失控的情况，这对双极晶体管来说是一个严重的风险。

总是对制造商关于最大瓦特值和结温的数据表评论持保留态度。这些结果只适用于设备持续冷却到舒适的25°C的温度。

了解环境温度和散热器温度

环境温度到底意味着什么?记住，晶体管可以被封装在一个盒子里，在这个盒子里，其他的散热设备可能会增加周围的空气温度。如果您有信心正常的室内气流能够自由地通过设备，您可以预期25°C是环境温度值，但您可能必须非常谨慎。

记住，在夏季，环境温度可能会上升到100°F = 38°c。有了这些数据，你就可以计算ΔT，也就是尚未确定的散热器尺寸和有利于冷却的空气之间的预测温差。

ΔT =_MaxJ- Z_jc+ Z_cs) - t_AA

在Z_JC表示结-壳热阻抗，Z_cs表示壳体到接收器的热阻抗T_AA为环境空气温度，T_乔丹定义了最高结温和W_j表示结瓦数。

假设我们想用a2 n3055晶体管驱动一个3安培的电机。你可能会注意到晶体管在这个电流值下会下降1.2伏特，你也可能会注意到最高的占空比是50%，或0.5。

因此，功耗将为3 x 1.2 x 0.5 = 1.8瓦。如果最大结温为80°C，最小结温为25°C，环境空气，则ΔT可计算为:

ΔT = 80 - [1.8 x (1.52 + 0.12)] - 25

Δt = 52°c

在这种情况下，ΔT计算表明，预估的散热片可能至少比空气温度高52°C。那么，这个散热器应该有多大呢?

用下面的公式来确定溶液:

= (W_Jx 5630) / ΔT^5／4

其中A表示散热器垂直表面的面积，单位为cm²．如果你想用in来计算²，可使用以下公式:

= (W_Jx 872.6) / ΔT^5／4

本文以2N3055 BJT为例，通过将上述方法应用于²式，得到如下结果:

A = (1.8 x 872.6) / 52^5／4

A = 1²

结果表明，为了冷却2N3055晶体管，需要一个至少有11.2平方英寸垂直表面积暴露在自由空气中的散热器。

并联晶体管的散热片

现在假设您想要将两个或更多具有相似特性的半导体器件(并联)放置在单个通用散热片上，以便它们消耗等效电流。

为了实现这一点，您可以计算一对的热功率，并将热阻抗除以设备的数量，假设它们是单个设备。规格不同的半导体器件应放置在单独的散热器上。

mosfet并联

让我们考虑这个例子。在低压开关电源中，两个IRFRZ40功率mosfet并联。通过这两个mosfet，电流有望达到40安培，占空比可能超过80%。在80°C, IRFZ40的导通电阻(FET导电)可能在0.036欧姆左右。因此，并联对对40安培的电阻为0.018欧姆，产生0.018 × 40 × 0.8 = 23瓦。假设最糟糕的温度是38°C，例如沙漠的环境条件，在夏季，我们可以估计散热器的尺寸如下所示:

ΔT = 80 - [23 x (0.5 + 0.5)] - 38

Δt = 19°c

上述结果表明，散热器温度可能比环境温度高19°C

现在，使用上述数据，我们可以确定最佳散热器大小使用以下计算:

A= (23 x 872.6) / 19^5／4

A = 506平方英寸。

506平方英寸的结果可能看起来太大，然而一个普通的大散热器尺寸为5 x 4 x 2^5／8一英寸的表面面积250平方英寸可能需要一个额外的一个有效散热。

显然，这样大的散热器可能是昂贵的，如果成本高于设备本身，你可能需要重新配置电路使用更多的并行晶体管。这种方法可以减少器件的导电电阻，从而减少必须散热的热量。