第二章 热阻法测算结温

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第二章 热阻法测算结温

第一节热阻法测算结温的基本原理

热阻法测算结温，其理论依据是根据傅立叶一维热传导的理论，假设 PN 结的热量通过一维热传导垂直到达热沉外表面的测温点，并且该测温点的等温面不超出封装体，或者说该等温面的构成不涉及有辐射传热。如此，就可以利用傅立叶一维热传导的公式来计算。根据傅立叶一维热传导理论：

P＝Aλ（Tj－Tr）/ L＝AλΔT / L —（4）

式中：

P：由 PN 结到热沉表面测温点的一维热流量；

Tj：结温； Tr：参考点温度；

A：热传导路径截面积； L：路径长度

令：

R=L/(Aλ) —（5）

R 称为传导热阻。

则公式（4）可以表达为：

R＝（Tj－Tr）/ P＝ΔT/ P —（6）

实际上，PN 结产生的热量并不是一维传导的，也就是说，PN 结产生的全部热量不是仅仅向下传导到热沉。现实中，一维热传导的情形是罕见的，因此我们应用热阻来分析和计算时，往往需要采用等效热阻的概念。利用等效热阻概念，往往要用到等温面的概念。两个等温面之间的等效热阻实际是很多各方向热阻串、并联的结果。

利用等效热阻概念，在只有热传导和热对流的情况下，等效热阻的计算仍然可以采用公式（6）的形式。但是，如果等温面以内的热传递涉及到辐射传热，公式（6）的形式不再成立。因此，在测算器件的热阻时，器件表面上测温点的选择必须要满足改点所处的等温面不涉及辐射传热。（该等温面以外可以有辐射传热。）

只有当着器件测温点等温面不超出封装体时（这个前提条件必须满足），P 才可采用 PN 结产生总热功率值。有关这方面的论证请参看文献【1】。

对公式（6）做变换可得：

Tj＝Tr＋PR —（7）

公式（7）就是通常工程中热阻法计算结温的公式。

由公式（7）可见，要计算结温，首先要知道该器件的热阻值 R。

那么热阻值又如何得知？

根据上面所述，通常情况下都不可能是一维热传导，就不能用公示（2）来计算热阻，因此，对于器件的热阻，也只能是采用等效热阻。当然，如果概念清楚的话，我们还可以简化用“热阻”一词。该等效热阻的测温点选择必须满足上面所讲到的“前提条件”。实际上，器件的热阻值是根据电压法来测算得到的。

具体求得热阻值的步骤如下：

① 利用电压法，首先测出器件的 K 系数。

② 将器件在某个散热结构下工作，利用第一章第三节的方法测算出热稳态下的结温。

③ 根据器件的热功率值，利用公式（6）算出热阻值。

④ 器件用户根据器件厂商给出的热阻值，在实际器件使用的状态下，通过测试器件测温点的温度，利用公式（7）来算出结温。

通常，前面三步是由器件厂商完成，第④步是由器件用户操作完成。通常人们所知的热阻法测结温，往往只是谈及第④步，实际上，热阻法测结温的完整步骤应该是包括上述四个步骤的。没有前面的三个步骤，第四步就无从谈及。

从上面热阻法的测算结温的原理可以看到，热阻法测算结温，其实是电压法的一种延伸或变通。

我们可以看到，在热阻法的全部步骤中，前两步的方法已经可以得到结温值了，即利用电压法已经完全可以解决问题了。利用结温去算出一个热阻值，再利用热阻值去算结温（看起来像是在转圈圈），热阻法看起来是一种多余的做法。为什么还要有热阻法？下面解释。

第二节热阻法测结温的问题

1. 为什么要用热阻法测结温

在数字表出现之前还是采用指针式电压表，它的指针过冲造成无法准确读到瞬时数据。要准确测量电压，需要精密的电压表。这种精密仪表一般价格很贵，对一般用户而言，不会因为很少的使用而去购买。所以才会有元件厂给出热阻值方便用户用测量参考点的温度来近似计算结温的做法。

因为温度计容易得到。这就是热阻法存在的原因。

从热阻法的原理我们可以看到，热阻法离不开电压法。要求得热阻，必先要测得 K 系数。有了Ｋ系数，再利用电压法就可以测算结温了。前提条件是，要有个高精度的电压表。现在能满足电压法测试精度的数字电压表很普遍，价格也很低。电压法的普及应用不是问题了。而且在实际的应用操作中，测电压比测温度要方便的多！

举例来看。比如一个集成封装的 LED 光源，正确的热阻参考点应该是热沉底部中央。实际应用时，光源要接散热器，那么参考点的温度如何测？必须在散热器上打孔（有关半导体器件热阻测试的正确方法读者可以参看有关标准）。而用测电压的方法，不需对灯具做破坏，简单易行。

2. 热阻参考点的选择

热阻测温参考点的选择是很重要的，如果选择不正确，得到的热阻值将不具有实用性。并且有关计算在理论上可能都是错误的。也就是说，测温点选择不正确，所做的一切都是错误的。这方面的论证请参看文献【1】。器件的热阻值测温参考点通常应该是：PN 结到封装壳体热沉外表面最近距离的位置。

在 LED 方面，温度参考点选择错误的现象比比皆是。比如：随意选择电极焊点作为温度测试点；一些集成封装和 COB 封装的 LED 产品，将温度测试点选择在发光面一侧，而不是在热沉上，参看图 12，这是错误的。以此点作为参考点，再利用公式（５）和（６）时，理论上就是错误的。

3. 器件传热状况的影响

利用热阻法测算结温，必须考虑器件热量的传递状况。根据热阻法所依据的计算公式（4）来看，该公式的形式只适合于传导和对流。如果测试参考点的等温面涉及到辐射，由于辐射传热与温度的关系不是线性关系，不存在公式 P＝ΔT/R 的形式，所以再利用公式（5）就是错误的。器件的热量必须全部以传导、液体对流的方式传递到参考点。注意：必须是液态流体对流（对液体对流换热，固、液界面的等温面上，公式 P＝ΔT/R 的形式依然成立），而不是空气。因为温度参考点如果曝露于空气中，则可能存在辐射传热的情形。

4. 温度的影响

前面讲到，一般 LED 的 K 系数都不是线性的，而是随温度变化的。由此可知，热阻值也是随温度变化的。所以，器件厂商给出一个热阻值，是在什么温度下测试的？如果不明确，或即使给出一个测试温度，你在实际应用器件时的温度是否符合这个温度要求？如此一来。准确性何言？

5. 热阻法测结温参考点的正确选择

如果一定要采用热阻法来计算结温，应该正确选择封装体外表面的测温参考点。下面给出一些LED 封装体的参考点选择例。图 13 中“Y”表示正确的参考点，“N”表示错误的参考点。从这些例子来看，在实际灯具中要测试这些点的温度是不容易的，需要对 PCB 或散热器打孔才行。对于一些 LED 封装体，可能不存在热阻法所需的参考点。对于这类封装的 LED，只能采用电压法来测算结温。例如图 14。