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电力电子系统以热阻为基础的热设计探讨
1
引言
长期以来，电力电子系统设计非常重视热管理（
Thermal
manage-ment
），因为它与可靠度的关系密切。
可靠
度的掌握是强调源头管理，从设计入
(Design
in)<
/p>
开始，按照系统开发的流程专注系统长期使用的整合
效果及对薄弱
环节的重视
[1]~[8]
。
电力电子
系统开发工程师在成长之初，
必须建立正确的观念及良好的基
本
功。以热管理与热设计的开发实务培训课程而言，它与基础的电子构装设计开发实务及产品可靠度工程
研发息息相关（见图
1
）。
图
1
电力电子系统开发工程师的培训计划
电力电子系统由模块（子系统
）组成，而模块由零组件所组成；以零组件中的半导体材料为例，由于晶
体管制程不断地
进步，芯片的面积得以越来越小，然而产品应用的趋势是要求更多功能整合在同一颗集成
电路上，使得其芯片运作频率越来越高。就芯片制程技术而言，在降低高密度晶体管封装所产生功率消耗
量远不及对应的晶体管运作频率所产生的交换损失以及传导损失，因而功率消耗产生的“热”问题
就越来
越重要。
在电力电子系统技术热管理中的热设计是非常关键的。以主机
板构装的设计为例，设计工程人员需面对
节约耗电量的设计考虑与验证后的延伸问题之关
连的热管理优化设计。如果热设计不当，除了要被迫追加
更多外部机构的散热装置，而且
会造成发热零组件性能快速的衰减，导致产品寿命缩短。美国
Air Force
Avionics
Integrity
Program
(AVIP)
的研究
指出电力电子系统设备失效的原因分布中；
热的原因占
54%<
/p>
（见
图
2
）。<
/p>
图
2
电力电子系统设备失效原因分布
2
热阻模式与热设计的考虑因素
2.1
系统热阻模式
电力电子系统是模块（子系统）的组合，而模块是发热体
(Heat
source)
与散热体
(Heat sink)
的组合。
对热管理而言，关注的是电力电子系统内部中发热体与散热体间的关
系及可能的热传递方式（见图
3
的上
图
）。在热传递的不同方式中，热阻
(Thermal resistance)
，代表物体阻止热流通过的能力。热阻反映了
阻止热量传递能力的综合指
标。热阻的概念与电阻非常类似，单位是℃
/W
，即物体持续传
热功率为
1W
时，
所造成导热路径两端
的温差（对单一散热器而言，热传递路径的两端分别是发热体与环境空气）。
对热设计而言，主要的目的是
能将由发热体产生的热经由合宜的散热体组合设计快速地传至系统外的环
境空气。发热体
有：功率半导体、电阻、变压器等储能功率零件（简称为发热零件或发热零组件），其发
热体内部的热流抵抗称为“内热阻”，内热阻的特征是由发热零组件制造商的制程技术来决定。模块依循
电路图，将多个发热零组件在电路基板上做最优化的电子构装设计。散热体有：导热胶、致冷器、
散热膏、
热管、隔热泡棉甚至是空气介质等。零组件相互空间的等效热阻又称之为“外热
阻”。一般的热设计是针
对系统等效热阻值的最小化。对系统开发工程师而言在选定发热
零件或发热零组件后，对内热阻的优化无
能为力，因此设计的重点是系统等效外热阻的最
小化（图
3
中点虚线围起的部分）。
电力电子系统的系统热阻模式
方块图如见图
3
的下图。系统等效热阻是发热体的总等效热阻<
/p>
(
R
s
)
与各散
热体等效热阻
(
R
i
,
i=1,2,
?
)
以串联的方式呈现。简单的说，
R
s
是发热体的热阻而点虚线内的是外热阻的等
效热阻。事实上，发热体、各散热体或其界面组成的等效热阻，可能会有串并联的方式呈现。这
是因为热
传递的方式有传导以外的热传递方式的关系（如对流）。文中会有实例作说明。
图
3
上图：电力电子系统产品内部环境热处理关系
,
下图：电力电子系统热阻模式
2.2
案例
1
：桌上型计算机电源供应器
以桌上型计算机电源供应器发热零件模块为例，说明各等效热阻值的相关因素。图
4
显示了桌上型计算
机电源供应器发热零件模块的
示意图。
(1)
发热零组件
(
功率零组件
)
发热零组件因热管理设计，经
常考虑在构装上以接触外部机构的散热装置，如散热片
导热胶
、热管，
接触面积越大、越紧密结实，外热阻
R
th(c-h)
也就越小。
(2)
零件相互间的构装
各发热零件或其模块，因其散
热量在单位时间的数值不同，致使相互间的构装设计无论是直接接触或存
在一定的距离，
直至系统电源管理稳定的一段时间后，
热传导才会达到热平衡。
而其间的介质不论是空气、
绝缘材料或金属导体，环境温度条件
不论是为自然对流或强制对流，外部散热装置的导热系数越大，外热
阻越小。
(3)
环境制
冷装置单位时间环境制冷装置能带走的散热量越大，代表导热系数越大，相对外热阻越小。
(4)
应用环境温度：温度越低，外热阻越小。
图
4
桌上型计算机电源供应器发热零件模块示意图
图
4
中有几项参数需要多加说明：
●
热阻：
符号表示为
R
th(j-c)
，单位是
℃
/W
。
发热零组件材料组成表中，
各自内部
构装的介质导热系数、
各组成间的接点与素子
(Element(e))
、基
材<
/p>
(Substrate(s))
、封装
(
Package(p))
的表面积，均会影响其热阻的大小。
●
接面温度
T
j
：符号表示为
T
j
，单位是℃。
发热零组
件内部封装晶磊
(dice)
或称为
(
素子
(e))
的接面最脆弱的温度点。
该零组件当工作时必有电流
流入与流出经由其内部阻抗形成发热现象其产生的热，来自所
谓的功率损耗
(
P
d
< br>)
，接面温度就会随着上升。
●
功耗损
失：符号表示为
P
d
，单位是
W
。
发热零组件因工作所产生的能量损耗可概分为传导损失与交换
损失，损失绝大部份是以热的方式来散
逸。
●
零组件有效热散逸表面积：符号表示为
A
，单位是
cm
。
有些零组件本体表面并非单一
材质且为非平面，如何得到有效热散逸最大表面积，其实透过灌胶
(Potting)<
/p>
的技术是可以达到最佳化。
●
零组件
本体表面平均温度：符号表示为
T
c
，
单位是℃。
由于功率零组件尺寸相对较其它发热零组件为大，且所处电力电子系统位置在其本体各轴向周遭的温度<
/p>
与热传表现或有不同，因此零组件本体不同封装材质表面取样多点温度来求取平均值称为<
/p>
T
c
。
(5)
我们认定的内热阻理论
理想关系式应为发热零组件所有的功耗
(
P
d
)
乘以零件制造商本身提供的热阻
规格
R
th(j-c)
，再加上零件
本体表面量测多点得到的平均温度，就趋近得到零组件的素子接面温度
(
T
j
)
，这里
提到的
T
j
是计算值，不是真
正埋入感温线做量测的数值；除了零组件是采取树脂封装外，通常可要求零组
件制造商提
供工程样品并埋入感温线做验证，当然这种侵入性量测素子所直接量测的接面温度因为改变了
原有的封装结构，是会改变其原有的
R
th(j-c)
表现。
2
(1)
对应零组件相互间的构装也可以表示外热阻，理论理想关系式为
(2)
2.3
案例
2
：封装半导体
图
5
显示了以
SOIC-8
封装半导体为
发热体的热传递示意图及等效热阻模式。图
5
很清楚展示表示电
力
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