功率半导体散热制冷基本原理及设计技巧-欧洲杯买球app

 功率半导体方案的发展方向并不是提升转换效率而已，散热表现也是功率半导体相当重要的因素。所以不管是在新一代的功率模组或是高压切换元件，都将提升散热的表现的设计加以导入。

散热将是半导体从业者决胜关键

全球p半导体领头集团英飞凌收购pcb制造商schweizer electronic股份，其主要目的之一也是为了相中了schweizer electronic公司在pcb半导体领域上先进的散热技术，从而形成技术互补。行内人士对于此次收购都直言：很明显，接下来功率半导体从业者会将研发的注意力放在“散热”性能的表现上，这也将是功率半导体业者们的决战点之一。

虽然pcb如今是将芯片连在它们的正面和反面上，但芯片嵌入技术未来可让半导体被“嵌入”到pcb里面。这有利于缩小pcb体积，该技术还能改进芯片冷却工艺，使芯片产生的热量直接通过pcb散发掉。这对于需要高功率的功率半导体迄今一直需要采用复杂的冷却技术的应用特别有益，就比如汽车中的电动转向系统、主动悬架系统或电动水泵等可用空间很小的模块系统获益匪浅。这正是芯片嵌入技术的用武之地。

半导体目前制冷散热方式

目前市场的半导体的散热方式主要是与散热片或散热器连接的方式进行热量的传递，其主要结构是由n型半导体、p型半导体、导线和陶瓷绝缘外壳组成。n.p型半导体通过金属导流片链接，当电流由n通过p时，电场使n中的电子和p中的空穴反向流动，他们产生的能量来自晶管的热能，于是在导流片上吸热，而在另一端放热，产生温差”——这就是半导体制冷片的制冷原理。其中与cpu和显卡接触的一端为冷端，与散热器接触的一端为热端。通电后热量从冷端转向热端，使冷端的温度降低，同时热端的温度会相应的升高。但如果半导体散热片冷热两端温度相差过大，同时遇到空气比较潮湿的环境，散热片冷端容易产生“结露”问题，从而容易造成电路短路。因此使用半导体散热片时应注意控制冷热两端温差并且及时处理掉凝结的水露。

而对于半导体散热片的“结露”问题，则是通过风扇来解决的，以风扇的力量给半导体散热片降温，直至汗水被清干为止。

传统半导体散热方式优缺点

优点:能使温度降到非常理想的室温以下；并且可以通过使用闭环温控电路精确调整温度，温度最高可以精确到0.1度；可靠性高，使用固体器件致冷，不会对cpu有磨损；使用寿命长。

缺点：cpu周围可能会结露，有可能会造成主板短路；安装比较困难，需要一定的电子知识。比较保险的方法是让半导体制冷器的冷面工作在20℃左右为宜

功率半导体散热装置设计注意要点

(1)通常对igbt或晶闸管来说，其pn结温不得超过125℃，外壳温度设定为85℃。有研究表明，功率器件散热设计关乎整个设备的运行安全。

(2)选用耐热性和热稳定性好的元器件和材料，以提高其允许的工作温度。第一代的半导体材料以硅（包括锗）材料为主，以砷化镓（gaas）为代表的第二代化合物半导体材料。而以氮化物（包括sic、zno等半导体）为第三代半导体材料。

(3)减小设备(器件)内部的发热量。为此，应多选用微功耗器件，如低耗损型igbt，并在电路设计中尽量减少发热元器件的数量，同时要优化器件的开关频率降低开关损耗以减少发热量。

(4) 采用适当的散热方式与用适当的冷却方法，加快散热速度。功率半导体装置的冷却设计主要考虑功率半导体器件和某些产高温器件(如大功率绕线电阻)的散热以及降低机柜内空气温度。常用的冷却方式为强迫空气冷却(使用铝型材散热器、热管散热器等)和循环水冷却。

　　采用强迫空气冷却(风冷)时，值得注意的是①散热器的制造工艺不同其导热系数差距很大，如同样散热面积的插片式散热器的热阻值要比铝合金型材散热器大好多。②散热器底板厚度应满足热的传导，特别是应用浪涌电流工作的设备如软启动器需用底板厚20mm以上。③翼片的数目与波纹在保证最大散热面积的前提下要考虑流体阻力，翼片的高度与厚度之间的比例要合理。

　　采用循环水冷却方式可以大大提高散热效率，可使芯片在较低的温度下工作，提高其寿命。但采用循环水冷却方式需要有水循环与处理设备。采用该方式时，应注意：①为防止纯水引起生锈与结冻，一般采用水与醇混合物。混合比例会影响到冷却液的热阻，当混合比例为50%时，其热阻一般增大50%。②正常情况下应保证水的流速不小于8升/分。 ③在高温湿热的环境中，空气中的相对湿度比较高，当水温较低，水冷散热器表面的温度低于露点时，表面会结露，影响绝缘。应按标准要求采取措施，适当提高水温，降低环境空气的相对湿度。

(5)器件在散热器上安装时应注意其安装位置。器件在散热器上的布局应注意以下几点: ①散热器的中心位置热阻最小。②在一个散热器上安装多个功率器件时，如器件发热功耗不一，对产生大功耗的器件应给予最大的面积。③安装模块的散热器表面，应注意平面度和表面粗糙度。表面如有凹陷会直接导致接触热阻的增加。为使接触热阻变小，在散热器与功率元件的安装面之间应均匀涂一层极薄的导热硅脂，只填充不平处的凹陷，保证原金属间的接触，并施加合适的紧固力矩，使接触热阻不超过数据手册要求的值。