MOSFET功率开关器件的散热计算

功率器件的功率损耗和散热器的耗散功率

散热器在单位时间内所散发出的热能量叫耗散功率。在设备正常稳定工作时，器件的功率损耗和散热器的耗散功率将达到平衡，器件的温度也不会继续升高．即系统达到了热平衡状态。

在系统的热设计中正是根据能达到热平衡状态时的功率参数来确定散热器应当具备的相关参数。

因此在设计过程中一般先根据相关数据手册和实际电路工作参数来计算出功率器件的功率损耗，然后以此作为依据计算散热器相关参数。而功率器件的功率损耗一般包括器件的通态损耗、开关损耗、断态漏电流损耗及驱动损耗几个部分。

功率器件的通态损耗

功率器件在周期性的开通、关断过程中处于开通状态时的功率损耗。当开关器件输出占空比为6的电流脉冲时，其平均通态损耗可以表示为：

功率器件的开关损耗

功率器件开关损耗包括了开通损耗和关断损耗。开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。因此产生较大的损耗，而且开关损耗的大小在很多情况下占有了器件总的功率损耗的相当大比重，甚至是主要部分，尤其是当器件处于高频工作情形下。功率器件的开关损耗与负载的特性有关．一般简化为感性负载和阻性负载两种情况来计算开关损耗。下面为硬开关条件下两种情形的开关损耗的计算公式：

功率器件的断态漏电流损耗

一般情况下，MOSFET器件处于关断状态时的集电极(漏极)漏电流十分微小，可认为器件无损耗，但在断态电压很高的情况下，则微小的漏电流仍可能产生较为显著的断态功率损耗:

功率器件的驱动损耗

功率器件在开关过程中消耗在驱动控制板上的功率以及在导通状态时维持一定的栅极电压、电流所消耗的功率称为开关器件的驱动损耗。一般情况下．这部分的功率损耗与器件的其他部分损耗相比可以忽略不计。但对于GTO、GTR等通态电流比较大的功率器件则需要特殊考虑。

散热器的热阻设计

散热器热阻是进行散热器选择的唯一依据。在器件处于稳定工作时的发热率和其散热器散热率相等．系统处于热平衡稳定状态。此时可以利用与电路理论类似的热路模型来进行系统热量计算。此模型中认为从器件到散热器、散热器到周围空气等热路中都存在“热阻”，热阻越小则表明传热能力越强。

实际应用中，在进行电力电子器件的热设计时，一般只需考虑其通态损耗和开关损耗即可。但对散热器的设计则需要按照器件可能的最大功率损耗来进行，以便留有足够的系统裕量，保证器件、设备的整体稳定性和安全性。当计算出器件的功率损耗后便可根据热平衡条件计算出所需要具备的散热器热阻，继而就可以根据散热器的材料、形状、表面状况、安装位置、冷却介质等合理设计和选择功率器件的散热器。

功率器件在恒定的平均功耗下运行时，系统达到热平衡稳定状态后，可以用稳态热阻概念进行热路计算。但在开机、负载突变、短路等情况下时则需要利用瞬态热路模型来进行计算。但器件在高频下工作时，由于温度属于大热惯性变量，所以一般也可以直接采用稳态热路进行计算即可。

实际上，功率器件向外部散发热量的“热路”为器件内部管芯传到器件管壳，通过管壳同时到散热器和环境介质，还有从散热器以对流与辐射两种传热方式将热量传递到环境介质中这样一个过程。由于从管壳到环境介质的热阻往往比管壳到散热器的接触热阻大得多，所以从管壳到环境介质的热阻可以忽略不计。

虽然型材散热器已有了相应的国家标准(GB742312287)，但其中的自然对流和强迫风冷条件下的热阻关系曲线均为实验数据整理所得，而在实际应用中影响散热器热阻的因素比较多．实验数据与实际应用有一定误差。如何综合考虑这些因素。使得在一定工作条件下散热器的热阻最小，也是工程设计中迫切需要解决的问题。因此，对散热器进行优化设计也就非常必要。散热器的优化问题属于有约束多变量优化问题，其目标函数是散热器与环境之间的热阻，设计变量是设计者可选择的参数。