採用TO-220封裝的電晶體需要散熱器嗎?

採用TO-220封裝的電晶體需要散熱器嗎？

NOWnews 發表於 2017-01-20 07:46:12

散熱器非常重要！作為電路設計的一個重要方面，散熱器提供了一種有效的途徑，將熱量從電子器件（如 BJT、MOSFET 和線性穩壓器）傳遞出去並散發到周圍空氣中。

散熱器的作用是在發熱器件上形成更大的表面積，從而更有效地將熱量傳遞出來並散發到周圍環境中。器件散熱路徑經過改善後可以降低元件接合處的任何溫升。

本文旨在利用器件應用中的熱數據並結合散熱器供應商提供的規格，對散熱器的選擇問題進行深入探討。

需要散熱器嗎？

對於本文而言，我們假設所討論的應用中有一個採用 TO-220 封裝的電晶體，其中導通和開關損耗等於 2.78 W 功耗。此外，環境工作溫度不會超過 50°C。這個電晶體需要散熱器嗎？

圖 1：配備散熱器的典型 TO-220 封裝的正視圖和側視圖（圖片來源：CUI Inc）

首先，必須找出並理解可能阻止 2.78 W 熱量耗散到周圍空氣中的所有熱阻的特徵。如果不能有效地分散這些特徵，TO-220 封裝內的結溫將超過建議的工作要求，具體對矽而言，通常為 125°C。

一般而言，電晶體供應商會記錄所有結環熱阻，並用符號 Rθ J-A 表示，計量單位為 °C/W。該單位表示，器件內每消耗一個功率單位（瓦），預計結溫將會升高到 TO-220 封裝周圍環境溫度以上的溫度值。

舉例說明，當電晶體供應商記錄的結環熱阻為 62°C/W 時，TO-220 封裝內的 2.78 W 功耗將使結溫升高到高於環境溫度 172°C 以上，計算方法：2.78 W x 62°C/W。如果假設該器件的最壞環境溫度為 50°C，則結溫將達到 222°C，計算方法：50°C + 172°C。由於這種情況遠遠超過矽的額定溫度 125°C，因此很可能對電晶體造成永久性損壞。由此可見，絕對有必要安裝散熱器。

如果針對此應用安裝散熱器，則會顯著降低結環熱阻。下一步，確定需要多低的熱阻通路才能確保操作安全可靠。

確定熱阻路徑

為確定熱阻路徑，首先需要確定最大容許溫升。如果器件的最高環境工作溫度為 50°C，並且我們已經確定矽結需要保持在 125°C 或更低，則最高允許溫升為 75°C，計算方法：125°C - 50°C。

下一步，計算矽結本身與周圍空氣之間的最大容許熱阻。如果最高允許溫升為 75°C，並且 TO-220 封裝內的功耗測量值為 2.78 W，則最大允許熱阻為 27°C/W，計算方法：75°C ÷ 2.78 W。

最後，計算出從矽結到周圍空氣的所有熱阻通路，並確認它們的總和小於上文計算出的最大允許熱阻 27°C/W。

圖 2：典型 TO-220 應用中應在結點與周圍空氣之間計算和添加的熱阻圖示。（圖片來源：CUI, Inc.）

從圖 2 可以看出，需要考慮的第一個熱阻是「結殼」熱阻，用符號 Rθ J-C 表示。該圖顯示了熱量從產生熱量的結點轉移到器件表面的容易程度（本示例以 TO-220 作為示範）。一般情況下，供應商的規格書會列出該熱阻以及結環熱阻值。此處假設的結殼熱阻額定值為 0.5°C/W。

需要考慮的第二個熱阻是「外殼至散熱器」熱阻，用符號 Rθ C-S 表示，該熱阻值用于衡量熱量從器件外殼傳遞到散熱器表面的容易程度。由於兩個表面有時會出現不規則現象，因此通常建議在 TO-220 外殼表面及散熱器底座表面之間塗抹導熱界面材料（TIM 或「導熱膏」），從而在熱學的角度確保兩個表面完全接合。塗抹 TIM 會顯著改善 TO-220 表面到散熱器之間的熱傳遞，但必須考慮其相關的熱阻。

圖 3：說明需要導熱界面材料 (TIM) 的表面對表面放大示意圖（圖片來源：CUI Inc.）

導熱界面材料說明

一般而言，TIM 的特徵取決於它們的導熱率，計量單位為「瓦/米-攝氏度 (W/(m °C))」或「瓦/米-開爾文 (W/(m K))」。在本示例中，攝氏度和開爾文單位可以互換，因為在計算溫升和溫降時，它們使用的是相同的溫度計量增量；例如，45°C 溫升與 45 K 溫升相同。

由於 TIM 的熱阻依賴於其厚度（TIM 的厚度單位為米）與所覆蓋的整個區域面積（TIM 覆蓋的面積單位為 m2）之比，因此包括了單位米，並得出 1/m 的結果（計算方法：m/m2 = 1/m）。在此示例中，TO-220 外殼表面的金屬片區域塗抹了一層薄薄的 TIM，其特定屬性和塗抹細節如下：

使用上面列出的屬性，可以根據以下公式計算出 TIM 的熱阻（為保持一致性，用米作為單位）：

選擇散熱器

需要考慮的最後一個熱阻是「散熱器到環境」熱阻，由符號 Rθ S-A 表示。該熱阻值的計算可以揭示熱量從散熱器底座轉移到周圍周圍空氣中的容易程度。電子元器件製造商 CUI 是一家散熱器供應商，提供了像圖 4 所示的圖形，展示了通過不同的氣流負荷和條件，熱量可以輕易地從散熱器轉移到周圍空氣中。

圖 4：展示典型散熱器安裝表面高於環境溫度溫升的圖形（圖片來源：CUI Inc.）

在此示例中，假設器件在自然對流且沒有任何氣流的條件下工作。該圖可用於計算此特定散熱器的最終熱阻，即散熱器到環境熱阻。用表面高於環境溫度的溫升量除以散熱量，可以得出該特定工作條件下的熱阻。此處耗散的熱量為 2.78 W，導致表面高於環境溫度的溫升為 53°C。用 53°C 除以 2.78 W 可以得出散熱器到環境的熱阻值為 19.1°C/W。

在之前的計算中，結點與周圍空氣之間的最大允許熱阻為 27°C/W。減去結殼熱阻 (0.5°C/W) 以及外殼至散熱器的熱阻 (0.45°C/W)，即可得出散熱器的最大允許熱阻，計算結果為 26.05°C/W，計算方法為：27°C/W - 0.5°C/W - 0.45°C/W。

就本示例而言，在這些假設條件下，該散熱器 19.1°C/W 的熱阻遠低於先前計算的允許值 26.05°C/W。如此意味著 TO-220 封裝內部的矽結溫溫度更低，設計熱裕量更寬。此外，通過將所有熱阻相加，然後乘以結點處耗散的瓦特數，最後將結果加到最高環境溫度，可以得出結點最高溫度的近似值，如下所示：

此處展示的示例揭示了散熱器在應用熱管理中的重要性。如果不安裝散熱器，TO-220 封裝內的矽結將遠遠超出 125°C 的設計額定限值。只需修改並重複此處使用的流程，即可幫助設計人員為各種不同的應用選擇尺寸合適的散熱器。

總結

散熱器在電路設計中扮演著重要的角色，因為它們提供了一個有效的通路，將熱量傳遞到周圍空氣中，並使之遠離電子器件。通過確定周圍環境的最高溫度以及器件內的功耗，可以優化散熱器的選擇；散熱器既不能太小，導致器件燒毀，也不能太大，導致成本浪費。此外，還應考慮 TIM 在兩個表面之間高效一致地傳遞熱量所起的重要作用。

最後，確定了應用的參數（環境溫度、功耗和熱阻路徑）之後，查看 CUI 的板級散熱器產品組合，即可確定適合項目冷卻需求的正確型號。

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