功率器件热管散热器介绍

随着功率器件如绝缘栅双极晶体管IGBT及电力电子设备的日趋流行向小型化、大功率和高精度方面发展，除了需要采用先进的元器件和设计新型先进的电子线路外，还需要缩小散热器的体积。因此，通常使用的铝型材散热器或叉指型散热器就很难满足功率器件散热的要求。
热管是一种新型高效的传热元件，因为它利用了沸腾吸热和凝结放热两种最强烈的传热机理，因而表现出优异的传热特性，即传热效率高和沿轴向的等温特性好，其热耗散效率比同质量的铜散热器大2~3个数量级。
以热管为散热器件的热管散热器在功率电子设备中的应用是近年才发展起来的一种先进的高效散热器件。由于热管散热器具有体积小、重量轻、散热效率高等优点，既能提高大功率管的设计使用功率，大大地延长功率管的寿命，简化功率管的散热设计，又能减少功率电子设备的噪音，提高设备的可靠性，降低成本。因此，热管散热器越来越受人们的重视。
1．热管的工作原理
热管是密闭封焊的蒸发冷却器件。热管结构包括一个具有毛细管作用的吸液芯和小量能汽化的液体。热量施加于热管的一端，引起液体蒸发，蒸汽流动到热管的另一端，在那里冷凝，释放出潜热。然后，冷凝了的液体通过吸液芯，由毛细管作用流回蒸发端，完成循环如下图所示。 2．热管散热器的主要性能和参数
RGS-Z系列自冷式热管散热器(水平式)和RGS-F系列风冷式热管散热器(重力式) 的性能参数有：散热功率、热阻R_Tf、等温性、管壁温升△Tfa、环境工作温度、寿命、安装方式等。现将其中主要参数介绍如下；
(1)散热功率
当热管散热器加入热源功率Pc，管壁温升△Tfa不超过50℃时，此热源功率Pc即为该热管散热器的散热功率。
 (2)热阻R_Tf
当热管散热器加入热源功率的时候，管壁温度Tf和环境温度Ta之差与所加的热功率Pc之比为热管散热器的热阻R_Tf，如下式。热管散热器的热阻特性与型材和叉指型散热器的热阻特性相似。在额定的散热功率范围内，热阻R_Tf将随热源功率Pc的增加而略有下降，但基本上为一条平坦直线： (3)等温性
在热管散热器的某—端(称加热端)加热源功率Pc，待热平衡后，另一端(称冷端)相对应的地方非常接近于热端的温度，此时，热管散热器的温度梯度相当小，也就是说热管散热器进入了热管工作状态。
(4)管壁温升△Tfa
在额定散热功率内，热管散热器管壁温升△Tfa将随热源功率增加而上外。上升的规律可由下式表示。在允许的范围内，只要热源功率不变，管壁温升是一定的： (5)寿命
自热管散热器最后夹断封口到寿命结束的总时间称为热管散热器的寿命。影响寿命的主要因素有两个，即产生不凝结气体和热管腔体的泄漏。因为，热管是一种真空器件，它在气流量很小的情况下工作，微小的气体泄漏会导致热管散热器的失效，为了避免产生不凝结气体，必须选择适出的工作流体(工作介质)，并且要求热管壳体容器、工质液体、吸液材料相容性好。这些已在热管散热器的设计制造中考虑了。另外，以上部件的清洗也相当重要，否则将产生有害的杂质，并出现堵塞毛细网孔的现象。在热管散热器制造中，只要注意消除以上这些影响寿命的因素，一般可以保证寿命在十万小时以上。
 (6)环境工作温度
热管散热器的环境工作温度，视热管内充填的工质液体而定。
3 热管散热器的选用
热管散热器与铝型材散热器和叉指型散热器的选用方法大致相同。根据设计要求，首先确定功率半导体器件的有关参数：P_CM、T_jM、T_C和Rθj-c。它们之间的关系如下式所示： 功率晶体管往往降额使用，一般不用它的最大管耗功率。这时，管壳温度Tc由设计者自行确定。原则上是每超过允许壳温一度，最大管耗功率则降低5％左右。如果在满功率下使用，壳温不允许超过规定的温度(75℃)，这就要采取有效的散热措施，以保证壳温在75℃以下。根据手册中给出的上述热参数，第一步先计算出所要选用的热管散热器的允许温升△Tfa，即 然后根据求得的△Tfa查出热管散热器手册中给出的功率温升曲线，再结合晶体管使用功率和允许壳温来选择合适的热管散热器。
热管散热器的热阻R_Tf为： 再根据求得的热阻R_Tf，查热管散热器手册中给出的热阻功率曲线，结合晶体管使用功耗和允许壳温、同样可以选择到合适的热管散热器。
例  已知3DD11晶体管功耗为100W，最高环境温度55℃，在自然冷却状态工作时，应该选用哪一种型号的热管散热器比较适合?
解：(1)先查出3DD11晶体管的有关热参数：T_jM＝1 75℃；Tc=75℃；P_CM＝300W。则可得： (2)取晶体管与散热器的接触热阻 (3)可计算出所需要的热管散热器管壁允许温升为； (4)根据△Tfa查热管散热器特性曲线。由功率温升曲线知道，RGS-150-Z型热管散热器的管壁温升△Tfa＝33℃＜50℃，此时晶体管的壳温近似为33+55＝88℃，管能承受的功耗为； 根据以上计算，如果选用RGS-150-Z型热管散热器，在环境温度55℃时，3DD11管可以承受临界管耗功率。
RGS-200-Z型热管散热器的管壁温升△Tfa＝25℃＜50℃，管壳温度为25+55＝80℃，晶体管能承受的功耗为： 以上计算说明，选用RGS-200-Z型热管散热器不仅符合要求，而且还有较大的余量，是比较合适的。
4 热管散热器的应用
热管散热器主要可用作各种功率半导体器件的散热器，也可用作密封机箱、机柜和腔体的散热，特别多用于军用电子设备。
当散热功率为50W时，分别采用铝型材散热器和热管散热时，性能比较如下(自冷式)： 由表上可见，在同样的散热功率下，热管散热器的质量大约为铝型材散热器的三分之二，体积大约为五分之三，散热器的温度还降低了7℃左右。
另外，由于铝型材散热器采用自然冷却，因此，当散热功率大于200W时，就不适用了，而采用热管散热器能达到设计要求。
一台50A／5V低压大电流稳压电源，调整管GTR的管压降为5V，分别采用热管散热器和铝型材散热器时，其性能为： 由数据可见，同样容量的一台直流稳压电源，采用热管散热器将使整机质量减少了5Kg，体积缩小了4500cm³，使晶体管的壳温下降了5℃，并减少晶体管数量，降低了成本。此外，由于减少并联晶体管的数量，使均流问题容易得到解决，因而电路的设计变得简单了。
由于有了热管散热器，使过去功率电子设备中大功率发热器件采用的水冷装置，现在可以直接用热管散热器来代替，取消了笨重复杂的水冷装置。原来采用风冷散热器的功率电子器件改用热管散热器后，可在自然冷却状态下工作，大大减小了功率电子设备的噪音干扰，提高了设备的可靠性，取消了风源设备，使重量减轻。