Isı Emici Termal Direnci: Özellikler Nasıl Okunur ve Doğru Seçim Nasıl Yapılır
Termal direnç, Rth veya θ olarak gösterilir ve bir soğutucu için en önemli teknik özelliktir; çünkü bileşenin ısı akışına karşı direncini, santigrat derece bölü watt (°C/W) cinsinden ölçer. Bu özelliği doğru okumak için, daha düşük bir Rth değerinin daha iyi ısı dağılımı anlamına geldiğini anlamanız ve parçaları karşılaştırmadan önce belirtilen hava akışı koşulunu (doğal konveksiyon vs. zorlanmış hava) her zaman doğrulamanız gerekir. Pratik açıdan, termal direnci 1,0 °C/W olan bir soğutucu, dağıtılan her watt ısı için ortam sıcaklığının 1,0 °C üzerine çıkar; bu değer, yarı iletkeninizin eklem sıcaklığı ile çevredeki hava arasındaki köprüdür.
Termal Direncin Arkasındaki Fizik
Termal direnç, elektriksel dirence benzer. Elektriksel direnç (R = V/I) akım akışına karşı koyarken, termal direnç de ısı akışına karşı koyar ve sıcaklık farkının dağıtılan güce bölünmesiyle tanımlanır: Rth = (Tj - Ta) / P, burada Tj eklem (veya cihaz) sıcaklığı, Ta ortam hava sıcaklığı ve P watt cinsinden güçtür. Bir soğutucu için bu değer tipik olarak bileşen montaj yüzeyinden ortam havasına kadar ölçülür ve arayüz malzemesini de içerir.
Silisyum kalıptan çevreye uzanan toplam termal yol bir dizi dirençten oluşur: eklemden kasaya (Rth_jc), kasadan soğutucuya (Rth_cs, termal macun veya ped dahil) ve soğutucudan havaya (Rth_sa) — sonuncusu, veri sayfalarında gördüğünüz soğutucu özelliğidir. Tipik bir TO-220 paketi için Rth_jc yaklaşık 3,0 °C/W iken, iyi bir termal macun 0,1–0,5 °C/W Rth_cs sağlar. Soğutucunun Rth_sa değeri, büyük bir zorlanmış hava ünitesi için 0,1 °C/W’den küçük bir klipsli kanat için 15 °C/W’ye kadar değişebilir. Mühendisler, maksimum derecenin (silisyum için tipik olarak 125 °C, SiC cihazlar için 150 °C) altında kalması gereken eklem sıcaklığını hesaplamak için üçünü de toplamalıdır.
Özellik Nasıl Okunur: Hava Akışı ve Yönelim
Soğutucu özelliklerini okurken en yaygın hata, hava akışı koşulunu göz ardı etmektir. Bir veri sayfası iki termal direnç değeri listeler: biri doğal konveksiyon için (durgun hava, tipik olarak 0,5–1,0 m/s) ve biri zorlanmış hava için (genellikle 2,0–5,0 m/s). Örneğin, 100 mm x 100 mm x 25 mm ekstrüde alüminyum soğutucu, doğal konveksiyonda 2,5 °C/W gösterebilir ancak 3 m/s zorlanmış hava akışında 0,8 °C/W’ye düşebilir. Bu 3 kat fark kritiktir; çünkü yanlış değeri seçen bir tasarımcı ya bileşeni aşırı ısıtır ya da soğutma çözümünü gereğinden fazla büyütür.
Yönelim de önemlidir. Kanatlar boyunca yukarı doğru hava akışı olan dikey kanatlar en düşük termal direnci (en iyi performansı) sağlar. Yatay yönelim (kanatlar düz durur), doğal konveksiyon engellendiği için Rth’yi %15–30 artırabilir. Veri sayfasının test düzeneğini her zaman kontrol edin: çoğu üretici tabanı dikey ve kanatları dikey düzlemde test eder; bu nedenle PCB’niz soğutucuyu yatay monte ediyorsa, güvenlik için Rth değerini %20 azaltın.
Gerçek Veriler: Yaygın Soğutucu Tiplerinin Karşılaştırılması
Farklı üretim süreçleri ve boyutlardaki termal direnç aralığını göstermek için BQUQ’nun üretim hattındaki temsili ürünleri karşılaştırdık. Aşağıdaki tablo, 25 °C ortam sıcaklığında, ortamın 50 °C üzerindeki sıcaklık artışında 70 mm x 70 mm ayak izine sahip soğutucular için tipik değerleri göstermektedir.
| Soğutucu Tipi | Boyutlar (mm) | Rth Doğal (°C/W) | Rth Zorlanmış 3 m/s (°C/W) | Ağırlık (g) | Göreceli Maliyet (USD) |
| Ekstrüde Alüminyum | 70x70x25 | 2,8 | 0,9 | 180 | 1,20 |
| Damgalı Alüminyum (katlanmış kanat) | 70x70x20 | 3,5 | 1,3 | 120 | 0,85 |
| Dövme Bakır | 70x70x20 | 1,9 | 0,6 | 420 | 3,80 |
| Sıyırma Alüminyum (yoğun kanat) | 70x70x30 | 1,5 | 0,5 | 260 | 2,50 |
| Yapıştırılmış Kanat (Al taban, Cu kanat) | 70x70x35 | 1,2 | 0,4 | 310 | 4,10 |
Not: Zorlanmış hava değerleri, kanatlara dik üfleyen 40 mm eksenel fan varsayar. Damgalı soğutucular en ucuzdur ancak ince (0,3 mm) kanatlar ve sınırlı yüzey alanı nedeniyle en yüksek termal dirence sahiptir. Sıyırma ve yapıştırılmış kanat tasarımları en düşük Rth’yi sunar ancak damgalı parçalara göre 3–4 kat maliyet primi vardır. 50 W’lık bir LED sürücüsü için, 2,8 °C/W’lik ekstrüde alüminyum ünite 140 °C’lik bir artış sağlar ki bu kabul edilemez; 85 °C kasa sıcaklığının altında kalmak için 1,5 °C/W’lik (75 °C artış) sıyırma versiyonuna ve zorlanmış havaya ihtiyacınız olur.
Uygulamanız için Gerekli Termal Direncin Hesaplanması
Bir soğutucu seçmeden önce, şu formülü kullanarak izin verilen maksimum Rth_sa değerini hesaplayın: Rth_sa = (Tj_max - Ta_max) / P - Rth_jc - Rth_cs. Tj_max = 150 °C olan, 20 W dağıtan, 50 °C ortam sıcaklığında, Rth_jc = 0,5 °C/W ve Rth_cs = 0,3 °C/W (yüksek kaliteli macunla) olan bir MOSFET varsayalım. İzin verilen Rth_sa = (150 - 50) / 20 - 0,5 - 0,3 = 5,0 - 0,8 = 4,2 °C/W. Bu, gerçek hava akışınızda Rth_sa değeri 4,2 °C/W’nin altında olan herhangi bir soğutucunun çalışacağı anlamına gelir.
Ancak, üretim toleranslarını, toz birikimini ve düzgün olmayan montaj basıncını hesaba katmak için 0,8’lik bir güvenlik azaltma faktörü uygulamanız gerekir. Bu nedenle, veri sayfası Rth_sa değeri 3,4 °C/W veya daha düşük olan bir soğutucuyu hedefleyin. Deneyimlerimize göre, 100 mm x 60 mm tabanlı ve 30 mm kanatlı ekstrüde alüminyum soğutucu, 2 m/s zorlanmış havada 3,2 °C/W elde eder ve size rahat bir marj sağlar. Temas basıncını her zaman doğrulayın: TO-220 paketleri için montaj vidasını 0,5 N·m torka sıkın; basıncı hafife almak Rth_cs’ye 0,5–1,0 °C/W ekleyebilir.
Malzeme ve Üretimin Rth Üzerindeki Etkisi
Alüminyum (alaşım 6063-T5), 167 W/m·K termal iletkenliği, düşük maliyeti ve kolay ekstrüzyonu nedeniyle varsayılan malzemedir. Bakır (385 W/m·K) 2,3 kat daha iyi iletkenlik sunar ancak 3 kat daha ağırdır ve 3,5 kat daha pahalıdır. Aynı ayak izi ve kanat geometrisi için bakır soğutucu, alüminyumdan yaklaşık %35–40 daha düşük termal dirence sahip olacaktır; bu nedenle bakır, yüksek yoğunluklu IGBT modülleri veya lazer diyotları için ayrılmıştır. Sıyırma soğutucular, hassas bir testere ile kesilmiş kanatlara sahip tek bir alüminyum veya bakır blok kullanır; 0,5 mm kanat kalınlığı ve 1,2 mm kanat aralığı elde eder, bu da ekstrüzyona kıyasla yüzey alanını %40 artırır.
Damgalama en ucuz yöntemdir (kalıp maliyeti 800–1.500 $) ancak yalnızca 0,3–0,5 mm kalınlığında kanatlar üretir ve kanat yüksekliği-boşluk oranını sınırlar. 10.000 adedin üzerindeki seri üretim için damgalı soğutucular, küçük boyutlar için adet başına 0,10–0,30 $ ile maliyet etkindir. Ekstrüzyon kalıp maliyeti 2.000–5.000 $’dır ancak 4:1 yükseklik-genişlik oranıyla 1,0–2,0 mm kanat kalınlığı sağlar ve birim uzunluk başına çok daha düşük Rth verir. BQUQ’nun her iki yöntemdeki 20 yıllık deneyimi, 70 mm x 70 mm ayak izi için ekstrüde alüminyumun 5.000 adette birim başına 0,80–1,50 $ maliyete sahip olduğunu, damgalı çeliğin (daha az iletken) 0,50 $ maliyete sahip olduğunu ancak %25 daha kötü performans gösterdiğini göstermektedir.
Veri Sayfalarını Okumak ve Hatalardan Kaçınmak için Pratik İpuçları
Farklı tedarikçilerin soğutucu veri sayfalarını karşılaştırırken, her zaman aynı taban alanı ve hava akışı hızı için normalleştirin. Bir tedarikçi Rth’yi 5 m/s’de belirtirken diğeri 2 m/s kullanabilir, bu da karşılaştırmayı geçersiz kılar. Yalnızca tek bir sayıya değil, “termal direnç vs. hava akışı” eğrisine bakın; çünkü gerçek fanınız veri sayfasındaki 3 m/s değil, 1,5 m/s sağlayabilir. Ayrıca, soğutucuyu özel bir uzunluğa kesebiliyorsanız “termal direnç vs. uzunluk” eğrisini kontrol edin; Rth uzunlukla doğrusal olmayan şekilde düşer — uzunluğu 50 mm’den 100 mm’ye ikiye katlamak Rth’yi %50 değil, yalnızca %30 azaltır.
Bir diğer yaygın tuzak, soğutucunun yüzey kaplamasını göz ardı etmektir. Siyah anodize yüzeyler, ısıyı çıplak alüminyumdan %10–15 daha iyi yayar ve bu da doğal konveksiyon performansını %10’a kadar artırır. Ancak zorlanmış hava altında radyasyon bileşeni ihmal edilebilir düzeydedir (%2’den az), bu nedenle fanla soğutulan sistemlerde anodizasyon daha az kritiktir. Macun yerine termal ped kullanırsanız, Rth_cs’nin macundan 0,3–0,8 °C/W daha yüksek olmasını bekleyin; bu nedenle daha büyük bir soğutucuyla telafi edin. Yüksek titreşimli ortamlar için, vida yerine yaylı klips kullanarak tutarlı basınç sağlayın ve termal çevrim yorulmasından kaçının.
Sonuç ve Mühendislik Önerisi
Soğutucu termal direnç özelliklerini doğru okumak üç eyleme dayanır: her zaman üç termal direnci toplayın (eklem, arayüz, soğutucudan havaya), her zaman hava akışı koşulunu gerçek dünya fan eğrinizle eşleştirin ve gerçek dünya kusurları için her zaman %20 azaltma faktörü uygulayın. Maliyet ve ağırlığın önemli olduğu çoğu endüstriyel uygulama için, 2–3 m/s fanlı ekstrüde alüminyum mükemmel bir denge sağlar ve 0,8–1,5 °C/W elde eder. 100 W’ın üzerindeki aşırı güç yoğunlukları için sıyırma veya bakır soğutuculara yatırım yapın. BQUQ’daki 20 yıllık geçmiş, %10–15 termal marjla iyi belirlenmiş bir soğutucunun bileşen ömrünü %30–50 uzattığını ve saha arızalarını önlediğini göstermektedir.
Termal hesaplamanızdan emin değilseniz, güç dağılımınızı, ortam sıcaklığınızı ve mevcut hava akışınızı bize gönderin. Mühendislik ekibimiz doğru soğutucuyu önerecek ve 12 saat içinde termal simülasyon raporu sağlayacaktır. sc@bquq.com adresinden veya WhatsApp +86 13713157787 numarasından bize ulaşın veya doğrulanmış termal direnç verilerine sahip ekstrüde, damgalı ve sıyırma soğutucuların tam kataloğu için www.bquq.com adresini ziyaret edin.
