如何評估功率MOSFET 的熱效應和結溫（三）

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5 傳熱模式---熱對流和熱輻射

當一個高溫物體被放入一個較冷的環境中時，能量就會從高溫物體轉移到外部環境中。環境可以是固態、液態或氣態。在電路環境中，熱傳遞方式主要為以下幾種：

• 對流（自然or強制）
• 輻射

當兩個物體接觸，其中至少有一個物體通過流體交換熱量時，就會發生熱對流。為了使這一現象發生，必須在兩個物體之間放置流體，流體需相對於交換熱量的物體做相對運動。

因此，對流可以發生在固體和液體之間、固體和氣態物質之間、液體和氣態物質之間，也可以發生在兩種液體之間。

一般來說，對流發生在流體內部一個有限的空間內，這個空間從流體和其他物體的界面開始，結束的距離取決於具體情況，但仍會有所減小。

這是最難以用數學方法預測的傳熱模式。

 圖17：對流示意圖

根據兩個物體之間的相對運動，對流可分為兩種類型：

• 自然對流: 由浮力引起的流體流動，浮力源於流體溫度變化引起的密度改變。
• 強制對流：由外部方式（如風扇、水泵等）引起的流體流動。

對於對流模式，熱阻可概括為公式6：

其中，hc 是傳熱係數，As 是表面積。散熱器製造商通常會提供一些熱曲線。

圖19：散熱器的熱曲線

針對對流這種熱傳遞方式，一些建議如下：

• 使用自然對流冷卻時，擠壓式散熱器上的鰭片應垂直排列
• 高海拔對自然對流會產生負面影響
• 注意不要阻塞散熱器
• 發熱設備應放置在機櫃頂部附近，而溫度較低、對熱敏感的部件則應放置在機櫃較低的位置
• 應按照自然對流空氣路徑安排強制空氣冷卻

熱輻射是麥克斯韋定律、赫茲定律和普朗克定律應用於熱傳遞的結果。其原因在於，當兩個不同溫度的物體之間沒有任何物質（即真空）時，就不會發生對流或熱傳導。唯一的熱量傳遞途徑是通過表面之間的電磁波輻射。

圖20：輻射示意圖

如前所述，輻射熱交換取決於波長、方向和溫度。然而，在實際應用中，通常使用近似值，特別是假定發射面完全漫反射（即輻射與方向無關），並且材料特性（吸收係數、反射和透射）與波長無關。對於熱輻射模式，熱阻可概括為公式7：

其中，hr是輻射傳熱係數，Ar是輻射表面積，hr可以使用Stefan-Boltzmann方程進行總結：

其中ε是發射率，σ是Stefan-Boltzmann常數，TS是表面溫度，Ta是環境溫度。

如同對流，針對輻射的一些建議：

• 最大化表面發射率
• 唯有平面圖中可見的表面才能輻射熱量（而不是整個表面積）。散熱片上突起的鰭片之間的區域會互相輻射熱量。
• 使用高導電性散熱片和接口材料，最大限度地減少元器件的case與散熱表面之間的熱阻，並增加散熱表面和環境之間的溫差。
• 當採用強制冷卻時，輻照散熱可以忽略不計；採用自然冷卻時，如果散熱器設計合理，大約有30% 的熱量是通過輻射傳遞的。

表2 列出了一些材料的發射率係數。

關於熱阻的更多內容請參考更新。

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註：文中內容翻譯自ST 應用手冊AN4783 《AN4783 Thermal effects and junction temperature evaluation of Power MOSFETs》，更過內容，請訪問 www.st.com