如何计算散热器

散热器通常用于吸收和散发来自电子功率器件（如晶体管、可控硅、三端双向可控硅等）的过多热量，以便将器件温度控制在其最大可容忍极限以下。

金属铝通常用作散热器材料，因为它具有出色的导热性，并且与铜等其他金属相比价格相对较低。

散热器的尺寸决定了来自设备的热量被吸收和分散到空气中的速度和最佳状态。

如果所选散热器太小，则可能无法完成预期的冷却，如果太大，则会影响电子电路的紧凑性和成本。

为了确保半导体器件的散热器尺寸最佳，始终建议使用公式准确计算参数，以便确定相当准确的散热器尺寸。

对流

自然对流可以定义为通过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发生的，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的表面积、穿过设备表面的空气力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，设备产生的热量当量（以瓦特为单位）等于其两端的压降乘以流过它的电流，再乘以时间因子（打开的时间百分比，除以 100）。这是散热器应该分散到大气中的绝对温度。

这是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公式可能要复杂得多。

对于音频放大器，我们可能需要计算耗散。在任何情况下，在计算要耗散的热量等同于以瓦特为单位的热量时，您可能都希望尽可能精确和保守。

尝试在数据表上查找要安装在散热器上的半导体器件的结到壳热阻和外壳到吸电流热阻。

这些阻抗大小可以在°C/W中找到。这意味着，对于结点耗散的每一瓦热功率，这将比外壳温度高一定量的°C，反之亦然。

如果要将器件结温保持在100°C或以下，并且其数据手册中的结壳热阻值为10°C/W，则7.5瓦的功率输出可能会导致结温上升到100°C。即使外壳温度保持在恒定的 25° C（可能是通过将设备置于流水中），也可能发生这种情况。

对于国际整流器 IRFZ40 MOSFET 之类的产品，常见的结壳热阻 （ZJC） 为 1° C/W，BJT 2N3055 为 1.52° C/W。

外壳到吸电流的热阻（Z.cs） 对于 TO-220 外壳，则为 1° C/W，对于 TO-3 情况，为 0.12° C/W。当您无法访问特定器件的数据表时，您可以尝试使用上述数字作为参考来估计特定半导体器件的结壳热阻。

散热片设计参数

晶体管结可以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高结温固定在80°C。

这是因为，高于此温度会严重损害器件性能，并可能导致热失控情况，这对双极晶体管构成严重风险。

始终对制造商关于最大瓦特值和结温的数据表注释持保留态度。这些结果仅适用于设备持续冷却到 25°C 的舒适温度的情况。

了解环境温度和散热器温度

环境温度究竟意味着什么？请记住，晶体管可以封装在一个盒子里，其中其他散热设备可能会增加环境空气温度。如果您确信正常的室内气流能够在设备之间自由移动，则可以预期 25° C 是环境温度值，但您可能需要非常谨慎。

请记住，在夏季，环境温度可能会上升到 100° F = 38° C。有了这些数据，您可以计算ΔT，即未知的散热器尺寸与有助于冷却的空气之间的预测温差。

ΔT = T马克斯·- [Wj x （ ZJC+ Z.cs）] -T机 管 局

其中 Z杰克表示结到外壳的热阻，Z.cs符号化外壳到吸电流的热阻，T机 管 局表示环境空气温度，T美杰定义最高结温，Wj表示结瓦数。

假设我们希望使用2N3055 晶体管来驱动消耗 3 安培的电机。您可能会注意到晶体管在这种电流大小下会下降 1.2 伏，您可能还会注意到最高占空比为 50% 或 0.5。

因此，功耗将为 3 x 1.2 x 0.5 = 1.8 瓦。如果采用最高结温 80° C 和最低结温 25° C 的环境空气，则 ΔT 可以计算如下：

ΔT = 80 - [1.8 x （1.52 + 0.12）] - 25

ΔT = 52° C

在这种情况下，ΔT计算表明，投影散热器可能比空气至少高52°C。因此，这个散热器应该有多大？

以下公式用于确定解决方案：

A = （WJx 5630） / ΔT5/4

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 计算它2，您可以使用以下公式：

A = （WJx 872.6） / ΔT5/4

考虑到 2N3055 BJT 示例，并通过应用上述2等式，我们得到以下结果：

A = （1.8 x 872.6） / 525/4

A = 11.2 英寸2

结果表明，需要至少具有11.2平方英寸垂直表面积暴露在自由空气中的散热器来冷却2N3055晶体管。

并联晶体管散热器

现在假设您想将两个或多个具有相似特性的半导体器件放在单个公共散热器上（并联），以便它们消耗等效电流。

为了实现这一点，您可以计算该对的热功率并将热阻除以设备数量，假设它们是单个设备。具有不同规格的半导体器件应放置在单独的散热器上。

并联式场效应管

让我们考虑这个例子。在低压开关电源中，两个 IRFRZ40 功率 MOSFET 并联连接。预计通过两个MOSFET的电流将达到40安培，占空比可能超过80%。在 80° C 时，IRFZ40 的导通电阻（FET 传导）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 x 40 x 0.8 = 23 瓦。想象一下夏季最坏情况下的温度为38°C，例如沙漠的环境条件，我们可以估算散热器尺寸，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，我们可以使用以下计算来确定最佳散热器尺寸：

A= （23 x 872.6） / 195/4

A = 506 平方英寸。

506平方英寸的结果可能看起来太大，但是一个普通的大散热器尺寸为5 x 4 x 25/8表面积为 250 平方英寸的英寸可能需要额外的英寸才能有效散热。

显然，如此大的散热器可能很昂贵，如果成本高于设备本身，则可能需要使用更多数量的并联晶体管重新配置电路。这种方法可能会降低器件的传导电阻，从而降低必须散发的热量。