关于电子元器件热阻的计算

电子小跑腿

【

概念解释

】

Ta（Temperature Ambient-）环境温度
Tc（Temperature Case）外壳温度
Tj（Temperature Junction）节点温度
热阻Rja：芯片的热源结（junction）到周围冷却空气（ambient）的总热阻，乘以其发热量即获得器件温升。
热阻Rjc：芯片的热源结到封装外壳间的热阻，乘以发热量即获得结与壳的温差。
热阻Rjb：芯片的结与PCB板间的热阻，乘以通过单板导热的散热量即获得结与单板间的温差。

【电子元件热阻的计算】

通用公式：Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rcs+Rsa)
【1】散热片（heat sink）足够大而且接触足够良好的情况下：
     热阻公式 Tcmax =Tj - P*Rjc
【2】散热片（heat sink）不大或者接触足够一般/较差的情况下：
     热阻公式 Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rcs+Rsa)
     其中，Rjc表示芯片内部至外壳的热阻， Rcs表示外壳至散热片的热阻， Rsa表示散热片的热阻.
【3】没有散热片情况下：
   （1）大功率半导体器件
   热阻公式Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rca)，其中，Rca表示外壳至空气的热阻。
   （2）小功率半导体器件
   热阻公式Tc =Tj - P*Rja，其中Rja:结到环境之间的热阻。
   注意：厂家规格书一般会给出Rjc，P等参数。一般P是在25度时的功耗.当温度大于25度时，会有一个降额指标。
实例:
（1）三极管2N5551（以下计算是在加有足够大的散热片而且接触足够良好的情况下）
    规格书中给出25度(Tc)时的功率是1.5W(P)，Rjc是83.3度/W。此代入公式有:25=Tj-1.5*83.3可以从中推出Tj为150度。芯片最高温度一般是不变的。所以有Tc=150-Ptc*83.3，其中Ptc表示温度为Tc时的功耗。假设管子的功耗为1W，那么，Tc=150-1*83.3=66.7度。注意，此管子25度(Tc)时的功率是1.5W，如果壳温高于25度，功率就要降额（降低使用功率）使用。规格书中给出的降额为12mW/度(0.012W/度)。我们可以用公式来验证这个结论.假设温度为Tc，那么，功率降额为0.012*(Tc-25).则此时最大总功耗为1.5-0.012*(Tc-25)。把此时的条件代入公式得出: Tc=150-(1.5-0.012*(Tc-25))×83.3，公式成立。
    一般情况下没办法测Tj，可以经过测Tc的方法来估算Ttj，公式变为: Tj=Tc+P*Rjc 。　　
    同样以2N5551为例。假设实际使用功率为1.2W，测得壳温为60度，那么: Tj=60+1.2*83.3=159.96此时已经超出了管子的最高结温150度了!按照降额0.012W/度的原则，60度时的降额为(60-25)×0.012=0.42W，1.5-0.42=1.08W。也就是说，壳温60度时功率必须小于1.08W，否则超出最高结温。
    假设规格书没有给出Rjc的值：可以如此计算: Rjc=(Tj-Tc)/P，如果也没有给出Tj数据，那么一般硅管的Tj最大为150至175度。同样以2N5551为例.知道25度时的功率为1.5W，假设Tj为150，那么代入上面的公式: Rjc=(150-25)/1.5=83.3 如果Tj取175度则 Rjc=(175-25)/1.5=96.6 所以这个器件的Rjc在83.3至96.6之间。
    如果厂家没有给出25度时的功率：那么可以自己加一定的功率加到使其壳温达到允许的最大壳温时，再把数据代入: Rjc=(Tjmax-Tcmax)/P 有给Tj最好，没有时，一般硅管的Tj取150度。　　
    我们把半导体器件分为功率器件和小功率器件。　　
大功率半导体器件
大功率半导体器件的额定功率一般是指带散热器时的功率，散热器足够大时且散热良好时，可以认为其表面到环境之间的热阻为0，所以理想状态时壳温即等于环境温度。
功率器件由于采用了特殊的工艺，所以其最高允许结温有的可以达到175度.但是为了保险起见，一律可以按150度来计算.适用公式:Tc =Tj - P*Rjc。设计时，Tj最大值为150，Rjc已知，假设环境温度也确定，根据壳温即等于环境温度，那么此时允许的P也就随之确定。　
注：大功率半导体器件一般是指电压等级在1200V以上，电流在300A以上的开关器件，包括大功率二极管、晶闸管、GTO、IGBT、IGCT、ETO等，900V以上的mosfet也可称为大功率器件，但是要看相应的电流等级。
这些器件基本上是以硅材料为基础，经过不同的工艺生产条件生产出来。按照其功能分类，可为全控型器件和半控型器件，全控型如IGBT、IGCT、ETO等，就是通过门极可以控制器件的开通与关断，半控型器件的代表就是晶闸管，只能控制开通，而不能控制关断。　
小功率半导体器件
小功率半导体器件，比如小晶体管，IC，一般使用时是不带散热器的.所以这时就要考虑器件壳体到空气之间的热阻了.一般厂家规格书中会给出Rja，即结到环境之间的热阻.(Rja=Rjc+Rca)。
同样以三极管2N5551为例，其最大使用功率1.5W是在其壳温25度时取得的。假设此时环境温度恰好是25度，又要消耗1.5W的功率，还要保证壳温也是25度，唯一的可能就是它得到足够良好的散热!但是一般像2N5551这样TO-92封装的三极管，是不可能带散热器使用的。
所以此时，小功率半导体器件要用到的公式是: Tc =Tj - P*Rja，Rja:结到环境之间的热阻.一般小功率半导体器件的厂家会在规格书中给出这个参数. 2N5551的Rja厂家给的值是200度/W.已知其最高结温是150度，那么其壳温为25度时，允许的功耗可以把上述数据代入Tc =Tj - P*Rja 得到: 25=150-P*200，得到，P=0.625W.事实上，规格书中就是0.625W.因为2N5551不会加散热器使用，所以我们平常说的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W还有要注意，SOT-23封装的晶体管其额定功率和Rja数据是在焊接到规定的焊盘(有一定的散热功能)上时测得的。　　
其实一般规格书中的最大允许储存温度其实也是最大允许结温，.最大允许操作温度其实也就是最大允许壳温。最大允许储存温度时，功率P为0，所以公式变为Tcmax =Tjmax - 0*Rjc，即Tcmax =Tjmax。最大允许操作温度，一般民用级(商业级)为70度，工业级的为80度。普通产品用的都是民用级的器件，工业级的一般贵很多。

【总结】

【1】散热片（heat sink）足够大而且接触足够良好的情况下：
     热阻公式 Tcmax =Tj - P*Rjc
【2】散热片（heat sink）不大或者接触足够一般/较差的情况下：
     热阻公式 Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rcs+Rsa)
【3】没有散热片情况下：
   （1）大功率半导体器件
   热阻公式Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rca)，其中，Rca表示外壳至空气的热阻。
   （2）小功率半导体器件（我们平时用的贴片芯片就用这种公式计算）
   热阻公式Tc =Tj - P*Rja，其中Rja:结到环境之间的热阻。

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学海无涯

学习了，感谢吴大师！