電子裝置的瞬態冷卻(持續更新中 )

2021-07-06 05:11:07 字數 1728 閱讀 5262

電子裝置的瞬態冷卻

當電源接通和發生變化時,或當冷卻系統切斷而電子裝置仍在工作時,電子裝置將經受瞬態加熱狀態。

熱容量

所有的實際系統,當被加熱時都有一定的吸熱能力。在溫公升形同的情況下,熱容量大的系統比熱容量小的系統吸收的熱量更多。熱熔c(單位j/k)定義為使物體溫度公升高1℃所需要的熱量。

在電子裝置中,電源剛接通時幾乎全部的熱量都用於公升溫,因此此時系統損失的熱量很少。隨著溫度公升高,熱量將尋找各種不同的路徑流到其他區域或外部環境,這將有助於減小溫度公升高的速率。在乙個設計良好的裝置中,溫公升將慢慢地降低,直至達到穩態溫度;而在乙個設計不良的裝置中,溫度會不斷公升高,直至某些元件過熱,甚至燒壞。無論哪一種情況,電源剛接通時溫公升很快,以後斜率將逐漸減小,直至達到穩態條件。

時間常數(弛豫時間)

電子器件或裝置受到功率驅動後,其有源區溫度場要達到穩態,需要一定的弛豫時間。

峰值熱阻和瞬態熱阻

由於電子器件晶元具有一定的幾何形狀和一定的層次結構,並且是由不同的材料所構成的,它的有源區的溫度分布一般是不均勻的,而且在開關和脈衝功率驅動下會隨時間而變化。之前定義的結溫只是晶元溫度場的乙個平均值,而這個溫度場中的最高結溫稱之為峰值結溫。對於功率電晶體,峰值結溫可能比平均結溫高得多。在這種情況下,如果用平均結溫而不是峰值結溫來估計器件壽命,將會引入很大的誤差。與峰值結溫tjp相對應,可定義乙個峰值熱阻。

當晶元溫度場達到了熱平衡時的晶元熱阻稱為穩態熱阻。由於熱時間常數的存在,當器件在開關或脈衝狀態工作時,晶元溫度場隨時間變化,晶元的熱阻也要隨時間變化,這時的晶元熱阻不能再用穩態熱阻來表徵,而要用瞬態熱阻抗來描述,它定義為單次脈衝功率引起的晶元等效結溫的變化與所加功率的比值,通常由熱阻和熱容兩部分組成。

根據其等效電路,當器件施加功率時,由於熱容需要吸收熱量,溫差不會立即增大,而是隨時間增長呈指數上公升。

根據相關公式(等效電路類似電子電路中的rc電路),瞬態熱阻總是小於穩態熱阻,因此,器件脈衝工作時的最大允許功耗總是比直流工作時的最大允許功耗要大。例如,微波功率電晶體在給定允許峰值結溫下,在窄脈衝寬度下的峰值輸出功率可為連續額定輸出功率的幾倍。

自然對流冷卻的電晶體耗散功率由10w上公升到30w,問能否在元器件允許的最高表面溫度為115℃的情況下堅持15min。

思路簡介:

1.計算電晶體在耗散功率為10w時的穩態溫公升(在穩態條件下,對流空氣薄膜的溫公升可通過豎直平壁自然對流換熱表面傳熱系數公式求得)

2.計算電晶體在耗散功率為30w時的穩態溫公升是否超出115攝氏度。

3.若超出,則在10w增加到30w時的溫公升可以由11-9式進行計算(我屮艸芔茻,不會敲公式啊)。首先求耗散功率為30w時電晶體在短時間內的平均自然對流換熱表面傳熱系數。該值不可能精確地求出,因為溫公升的確切值還是未知的。因此,需要首先估計乙個溫公升值,根據估算得出自然對流換熱表面傳熱系數,再由這個數值計算出溫公升,並與估算值比較。如果一致性好,問題即獲解決;如果一致性差,就需再另行估計溫公升值。重複上述過程,直至取得良好的一致性為止。

3.1假定溫公升求豎直平壁自然對流換熱表面傳熱系數

3.2求熱阻

3.3求熱容

3.4根據rc值求時間常數

3.5利用穩態溫差、時間常數、時間(15min)代入(11-9)求出15min後,電晶體的表面溫度=10w的穩態溫公升+後來的溫公升

3.6要根據計算結果檢驗誤差[(利用後來的溫公升值0.66666+10w的穩態溫公升)-環境溫度],其值與假定的溫公升值之間的偏離,並計算對平壁自然對流換熱表面傳熱系數值的影響。

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