功率晶体管的散热

四、功率晶体管的散热

功率晶体管是指使用功率大于1W的晶体管，此时，完全靠管壳及引线不能把热量迅速散走，需要加专门的散热装置——散热器。对集成电路而言，当热流密度大于0．6W/cm²时，也需要用散热器，此处以晶体管为讨论对象，其方法和结果适用于集成电路。

1．散热途径

图2－26(a)是带散热器的晶体管模型。管壳往往就是晶体管的集电极，管壳安装在散热器上，为了使管壳与散热器电绝缘，以提高管与散热器的接触质量，常常在管壳与散热器之间垫一层对电绝缘但导热性能好的电绝缘片。图2－26(b)是散热途径方框图。晶体管的耗散功率P_c使集电结产生结温T_j，集电结的热量向管壳传递，受到阻力为R_Tj，称为内热阻，管壳的温度为T_c，管壳分两路将热流散到环境;一路是直接向周围的环境传热，热阻为R_TP，称为外热阻。该热阻通常很大，因管壳的面积小，其向环境的辐射和对流传热很困难。T_a为环境温度。另一路是管壳的底部通过绝缘片传到散热器，散热器再向周围的环境传热。散热器的温度为T_f，从管壳到散热器之间的热阻即为R_Tb，它由绝缘片的传导热阻R_TS和绝缘片上下两面的两个接触热阻R_TC组成，即R_Tb=∑R_TS+∑R_TC。从散热器向环境的传热热阻为R_Tf，是散热器本身具有的热阻。因散热器在选材和形状、面积、表面状态上都作了合理的设计，所以散热热阻较小，往往有R_Tf远小于R_TP，即通过管壳→垫片→散热器→环境这一路的散热比管壳→环境这一路的散热效率要高得多。这里关键是要选择合适的散热器。

图2－26　晶体管的散热模型及散热途径方框图

2．热路图

按热电模拟的概念，热路图如图2－27所示。设P_c为集电极耗散功率。在图2－27(a)中因R_Tb+R_Tf远小于R_TP，所以图2－27(a)可以简化为图2－27(b)的形式，各参数的含义前面已作了说明，此处不重复。该回路(即从结面到环境)的总热阻为:

式(2－29)可写成:

由式(2－30)可得:

图2－27　热路图

图2－28　晶体管管座形式

表2－9　接触热阻参考数据

图2－29　铝型材散热器和叉指型散热器

表2－10　铝型材散热器

表2－11　叉指型散热器

例2－2已选定使用3DD5F型晶体管，其耗散功率P_C= 20W，环境温度T_a= 35℃，管座与散热器间不涂硅脂(干接触)，并应用XC767型散热器，试决定其尺寸。

解:(1)由晶体管手册查得，3DD5F晶体管的有关数据为

　　　P_cmax= 25W，

　　　T_jmax=175℃，R_Tj=4℃/W，其管型为F₂。

(2)决定接触热阻R_TC，根据题设查表2－9，得

R_TC= 0．33℃/W。

(3)计算散热器热阻R_Tf

由式(2－31)得

(4)决定散热器尺寸。根据题设选用XC767型材散热器，由表2－10查得，XC767截取100mm，当晶体管P_C为16W时，R_Tf= 2．6;当P_C为26W时，R_Tf= 2．4。题设P_C为20W，因此其热阻必在2．6与2．4之间;而计算所得R_Tf= 2．67。所选之值小于计算值，因此可用。