【導讀】熱阻(Θ)是指散熱路徑上的溫升與流過(guò)同一路徑的熱量之比。用路徑長(cháng)度界限來(lái)描述，例如半導體器件的結點(diǎn)到外殼 (Θj-c)或結點(diǎn)到外圍環(huán)境(Θj-a)之間的熱阻。在單個(gè)半導體器件中，所有的熱量都集中在溫度相同的某一點(diǎn)（半導體芯片）耗散。熱量從該點(diǎn)傳到封裝（或者外殼），然后傳到周?chē)h(huán)境中，溫差和產(chǎn)生的熱量之比是結點(diǎn)至外殼或結點(diǎn)至外圍的熱阻。
什么是熱阻
熱阻(Θ)是指散熱路徑上的溫升與流過(guò)同一路徑的熱量之比。用路徑長(cháng)度界限來(lái)描述，例如半導體器件的結點(diǎn)到外殼 (Θj-c)或結點(diǎn)到外圍環(huán)境(Θj-a)之間的熱阻。在單個(gè)半導體器件中，所有的熱量都集中在溫度相同的某一點(diǎn)（半導體芯片）耗散。熱量從該點(diǎn)傳到封裝（或者外殼），然后傳到周?chē)h(huán)境中，溫差和產(chǎn)生的熱量之比是結點(diǎn)至外殼或結點(diǎn)至外圍的熱阻。
開(kāi)架式轉換器
在開(kāi)架式轉換器中，沒(méi)有從單一熱耗源到外部環(huán)境的單一散熱路徑，所以熱阻的概念不能完全適用。一個(gè)開(kāi)架式轉換器中含有多個(gè)器件并具有不同溫度，部分熱量傳導到PCB，部分熱量封裝直接傳導到空氣中。這可被描述為多個(gè)Θc-a路徑混合。
此外，元器件消耗的功率和整個(gè)模塊消耗功率的比例隨著(zhù)工作條件的變化而變化。比如，當輸入電壓較高時(shí)，耗散在轉換器輸入部分的功率會(huì )相應得大，但在低輸入電壓情況下，輸入部分消耗的功率較小，此時(shí)輸入部分消耗的功率在整個(gè)模塊消耗功率中的比例較小，而其他部分的功率消耗更顯著(zhù)。不同負載電流也有類(lèi)似的影響。在輕負載情況下，磁芯的功率消耗在總消耗中占大部分，而在重負載情況下，開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應管的功率消耗更大。
基板式或密封式轉換器
對于有田電源（yottapwr.com）的基板式或密封式轉換器，器件的溫度更加一致，因為內部導熱膠使器件的溫差保持在一個(gè)很小的范圍內。然后整個(gè)轉換器的溫度相近，且在底板和外部環(huán)境之間具有單一溫差。在這種情況下，殼體到外界(Θc-a)的熱阻就有意義了。通常同樣
尺寸的轉換器在給定的空氣流速下具有非常相同或者完全相同的Θc-a。
例子：在圖1中，轉換器工作在低輸入電壓，滿(mǎn)載和外部環(huán)境溫度低的條件下，最熱的器件是隔離MOSFET
25%的負載，輸入MOSFET溫度最高，差值為7℃
圖1 開(kāi)架式PQ60015QGA40工作在25℃和25%負載下低負荷運行的熱影像
50%的負載，輸出MOSFET溫度最高，差值為1℃
圖2 同一個(gè)轉換器在50%負載下的熱影像
100%的負載，輸出MOSFET溫度最高，差值為26℃
圖3 同一個(gè)轉換器在100%負載下的熱影像
在圖1，圖2和圖3中，熱影像圖表明溫度最高的器件會(huì )從一個(gè)工作點(diǎn)變化到另一個(gè)工作點(diǎn)。在這種情況下，除了負載電流外所有的條件都是相同的。隨不同工作點(diǎn)變化以及存在很大溫差的最熱器件可以用估算熱阻。
開(kāi)架式轉換器的優(yōu)勢在于它可以把功率消耗分散到轉換器PCB上的多個(gè)器件。不同的工作點(diǎn)和負載條件下各器件的功率消耗不同。由于對外傳導的熱量并非來(lái)自于單個(gè)器件，因此單一熱阻的概念并不適用于開(kāi)架式模塊。
基板式和開(kāi)架式轉換器的對比
在下面的兩個(gè)例子所示為同一工作點(diǎn)和相同散熱條件下的兩種相同模式不同封裝的轉換器熱成像圖，開(kāi)架式如圖4所示，基板式如圖5所示?？梢钥闯鏊鼈兊臒崽匦杂泻艽蟛煌?，且基板式的設計使整個(gè)表面都在同一個(gè)溫度下。這說(shuō)明開(kāi)架式轉換器不能用單一熱阻來(lái)準確描述。
圖4 工作在滿(mǎn)載，外界環(huán)境溫度25°C和風(fēng)速200lfm條件下的開(kāi)架式轉換器
圖5 工作在與圖4所示相同條件下的基板式轉換器
在這個(gè)例子中熱阻是適用的，因為基板式轉換器只有一個(gè)溫度。由于耗散的能量為13W，在外界溫度為25℃條件下，底板/模塊溫度為74℃，所以這個(gè)例子的Θc-a在風(fēng)速為200lfm下為49℃/13W = 3.8℃/W。風(fēng)速越高，溫升就越小，Θc-a也越小。
總結
對于開(kāi)架式轉換器來(lái)說(shuō)，使用固定熱阻是不適用的，因為內部的功率消耗器件溫度不一致，并且最熱的器件隨變化的電路工作點(diǎn)和負載條件而變化。對于密封式轉換器，從殼體到外部環(huán)境使用固定熱阻值是合理的，因為基板具有相同的溫度。
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