功率半導體行業的本質是能源行業,熱特性是功率半導體的靈魂,因為這個行業從始至終都只追求一個目標:用最小的熱損耗達到最高效的電能轉換。從這個角度講,工程師熟悉熱學的意義就如同遠古人類學會用火,是一種思維上的質變。
先從最簡單的開始,溫度。
假設有一根金屬棒子,棒子左邊溫度是T1(假設100度好了),右邊溫度是T2(假設50度),會發生什么?
生活經驗告訴我們,這根金屬棒的左邊溫度會逐漸降低,右邊會逐漸升高,最終,整個棒子達到同樣的溫度,法國數學家傅里葉對此開創了熱的解析理論。
回到上圖,非常容易理解,由于溫度差ΔT=(T1-T2)>0的存在,熱量會由高溫物體自發轉移到低溫物體。如何衡量這個傳熱的快慢呢?仿造電路中的電阻,我們提出熱阻的概念。
我們把電路中的電壓V看成溫度T(電壓代表電勢能,溫度代表內能),那么溫度差ΔT就是電壓降ΔV,熱流P(每秒傳遞的熱量)就可以類比為電流I,通過歐姆定律我們知道,壓降ΔV除以電流I就是電阻R=ΔV/I,那么,相應地,溫度差ΔT除以熱流P就是熱阻Rth(th代表thermal)=ΔT/P=(T1-T2)/P
我們知道溫度的單位是開爾文K或者攝氏度℃,熱流是每秒傳遞的熱量就是焦耳/秒=功率瓦特W,因此熱阻Rth的單位就是度/瓦(K/W或者℃/W)
到這里我們就知道了熱阻的計算定義:每瓦熱流下的溫度變化,很拗口,為了方便理解,我舉個例子,假設某IGBT模塊某個橋臂芯片到冷卻水的熱阻是0.12K/W,假設芯片的發熱功率是恒定500W,冷卻水水溫是恒定50℃,那么芯片穩定運行時的溫度是多少?
這個例子里面,發熱功率是500W,我們忽略掉空氣的導熱,那么這500W會全部都被冷卻水帶走,也就是說,從芯片到冷卻水的熱流P=500W,又知道了芯片到冷卻水的熱阻Rth=0.12K/W,通過Rth=ΔT/P,
我們得到芯片和冷卻水的溫度差ΔT=P×Rth=500W×0.12K/W=60K
那么芯片溫度Tj=冷卻水溫度Tf+ΔT=50+60=110℃。
以上就是用熱流計算來定義的熱阻。
這時有的人會問了,不對啊,熱阻應該是一個物理特性啊,應該是和材料本身有關系啊,我想從材料的物理特性本身來定義熱阻,可不可以?
可以。
想想電阻在材料上的物理學定義:
電阻R=電阻率ρ×長度L/截面A=(1/電導率s)×長度L/截面A
同樣,熱阻Rth=熱阻率ρth×長度L/截面A=(1/熱導率λ)×長度L/截面A
其中電阻率和電導率互為倒數,熱阻率和熱導率互為倒數
為啥如此相象?原因是電和熱的本質是一樣的,都是微觀粒子的運動
那我們看下熱阻Rth=ρth×L/A=ΔT/P
推出熱阻率ρth=ΔT×A/(P×L)=ΔT/(L×P/A)=(ΔT/L)÷(P/A),那么熱導率λ=1/ρth=(P/A)÷(ΔT/L)
我們把熱流P除以傳熱截面的面積A的比值稱為熱流密度(也成為熱通量,單位是W/m2),物理意義即為每平方米上通過的熱量功率。我們把單位長度上的溫度差稱為溫度梯度dT/dL(單位是℃/m),表征的是單位長度上的溫度變化。
那么熱導率就是熱量功率/溫度梯度,
單位是(W/m2)÷(℃/m)=W/(m×℃)
我們就得到了熱導率的定義:材料在單位溫度梯度下通過其梯度方向的熱流密度,聽起來不像是人話。。。
說大白話就是,冬天同樣溫度下的鐵棍子比木棍子摸起來更冷,那是因為鐵的熱導率更高,單位時間內能帶走的熱量(熱流密度)更多。
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