ICS31.080.01
中华人民共和国机械行业标
JB/T9684-2000
电力半导体器件用散热器选用导则Selecting guide of heat sink for power semiconductor device2000-04-24发布
国家机械工业局
2000-10-01实施
JB/T9684-2000
本标准是对JB/Z363—89《电力半导体器件用散热器选用导则》进行的修订。本标准编写规则按GB/T1.1-1993的规定。本标准较前版主要修订有：
1·扩大了标准的适用范围。前版仅适用于铸造类散热器，扩大为还适用于型材类和热管类散热器，相应补充了这两类散热器结构的特点和与器件参数的定量关系等内容。2引用标准增多。增加了型材散热器、热管散热器、1000A以上普通晶闸管和1600A以上普通整流管等的引用标准。
3“总则”章中增加了“散热器的型号识别”一条，其它各条有少量文字变化。4·在“散热器与器件的参数关系”章中，增加了机械尺寸配合前提条件和计算参数关系的方法。在参数匹配中，增加了特大电流器件（管芯Φ100mm）与最大号热管散热器、水冷散热器的参数关系。除水冷散热器保留给出与115℃（T，）器件的参数关系外，删去散热器与100℃和115℃（T）器件的参数关系。
5增加了附录A“无露运行的冷却水最低温度”。本标准附录A是标准的附录。
本标准从实施之日起，JB/Z363—89作废。本标准由西安电力电子技术研究所提出并归口。本标准起草单位：西安电力电子技术研究所、江阴市可控硅附件有限公司、鞍山鞍明热管技术有限公司。
本标准起草人：秦贤满、陈振云、郭度厚、陆正柏。本标准首次发布于1989年3月29日。中华人民共和国机械行业标准
电力半导体器件用散热器选用导则Selecting guide of heat sink for power semiconductor device1范围
JB/T9684-2000
代替JB/Z363—89
本标准给出了选用散热器的总要求、一般方法、各系列散热器的特点，以及散热器和器件相关参数的定量关系。
本标准适用于铸造（或压铸）工艺、型材拉制工艺和热管结构的电力半导体器件用散热器。2引用标准
下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。在标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB/T8446.1—1987
GB/T8446.2—1987
GB/T8446.3—1988
JB/T5781—-1991
JB/T5837—1991
JB/T5838-1991
JB/T8157-1999
JB/T8757—1998
JB/T8949.1-1999
JB/T8949.2—1999
JB/T8950.1-1999
JB/T8950.2—1999
3总则
3.1选用散热器的依据
电力半导体器件用散热器
电力半导体器件用散热器热阻和流阻测试方法电力半导体器件用散热器绝缘件和紧固件电力半导体器件用型材散热器技术条件ZP系列2000A以上管壳额定整流二极管KP系列1000A以上管壳额定反向阻断三极晶闸管电力半导体器件用型材散热体外形尺寸电力半导体器件用热管散热器
电流小于100A普通整流管
电流大于100A普通整流管
电流小于100A普通晶闸管Www.bzxZ.net
电流大于100A普通晶闸管
选用散热器的主要依据是电力半导体器件的内热阻（结壳热阻与接触热阻之和）和耗散功率，其次是器件的最高工作结温和冷却介质温度。3.2散热器的型号识别
散热器的基本型号包括两部分。第一部分为两个汉语拼音字母，两个字母分别表示散热器类别和冷却、安装方式。表示散热器品种的第二部分为两位数字，当品种需要划分为规格时，则两位数字后以一个汉语拼音字母表示，如A、B等。表示散热器品种的两位数字越大，散热器的外形尺寸、体积越大，即散热器的热阻越小、负载能力越强。散热器的型号及其第一部分两个字母的意义分别如图1和表1所示。国家机械工业局2000-04-24批准2000~10-01实施
散热器类别代号及意义
（铸造类）散热器
型材类散热器
热管类散热器
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（一个字母）
（两位数字）
（一个字母）
（一个字母）
规格代号
品种序号
冷却和安装方式代号
散热器类别代号
冷却、安装方式代号及意义
自冷、片式
自冷、螺栓式
风冷、螺栓式
风冷、平板式
水冷、平板式
自冷、模块式
风冷、模块式
散热器型号第一部分两个字母是散热器系列的代号，如SF系列、SS系列等，对于确定的散热器类别，表示冷却、安装方式的一个字母即为散热器系列的代号。表1中三类散热器现行标准共有11个系列、45个品种、80个规格，各系列、品种、规格的型号如表2所示。表2
系列名称
SP系列
自冷片形散热器
Sz系列
自冷螺栓形散热器
SL系列
风冷螺栓形散热器
SF系列
风冷平板形散热器
SS系列
水冷平板形散热器
xz系列
自冷螺栓形型材散热器
XL系列
风冷螺栓形型材散热器
XF系列
风冷平板形型材散热器
RM系列
自冷模块式热管散热器
RK系列
风冷模块式热管散热器
RF系列
风冷平板式热管散热器
品种规格型号
注：SS15和SS16尚未纳入散热器产品标准，已有制造和应用。SZ16
型号中品种序号对应散热器的长、宽、高外形尺寸，对于各螺栓形散热器系列（SZ、SL、XZ、XL），同一系列中品种序号相同、规格代号不同的两种或多种散热器，它们的外形尺寸和热阻等指标均相同，品种序号后有无字母或字母不同，仅表示安装器件的有关尺寸不同，如SZ15和SZ15A的螺孔尺寸分别为M8和M10，XL20、XL20A和XL20B分别表示无中心螺孔（适用于模块）、螺孔为M24×1.5和M30×1.5的不同。对于平板形散热器系列（XF、RF）和模块用热管散热器系列（RM、RK），同一系列2
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M30X1.5的不同。对于平板形散热器系列（XF、RF）和模块用热管散热器系列（RM、RK），同一系列中品种序号相同而规格代号不同的两种散热器，它们的外形长和高相同，长度尺寸不同，两者的热阻也不相同，如XF15A和XF15B的L分别为140mm和180mm，热阻分别为0.065℃/W和0.055℃/W；RM01A和RM01B的L分别为305mm和385mm，热阻分别为0.5℃/W和0.35℃/W。3.3确定紧固力（力矩）的原则
紧固力（力矩）是连接器件和散热器的不可缺少的重要参数，正确确定和使用它，对保证器件长期稳定地工作和可靠性起着重要的作用。紧固力（力矩）是使散热器与器件组装后具有良好热接触的安装力或安装力矩。此力或力矩是具有一定允差范围的额定值，组装时应严格遵守这个范围。紧固力（力矩）由器件制造厂或器件标准给出，或根据紧固力（力矩）与有关参数的特性曲线确定。当器件厂未给出紧固力时，按器件管壳与散热器接触的面积，可采用1~1.5kN/cm2的紧固力。为了改善散热器与器件的接触，增加有效接触面积，提高散热效果，在散热器和器件之间可涂一薄层导电导热性物质，如硅脂。3.4散热器的额定冷却条件
散热器的额定冷却条件系指按GB/T8446.2确定散热器热阻值、流阻值和特性曲线的测试条件。自冷散热器：环境空气温度不高于40℃、空气自然对流的风速不大于0.5m/s：风冷散热器：进口空气温度不高于40℃、进口端风速为6m/s：水冷散热器：进口水温度不高于35℃、水流量为4L/min。3.5整机中选用散热器的一般原则首先应根据器件在电路中的稳、瞬态工作情况，并考虑一定的余量选择器件参数，然后根据器件参数再选用所需的散热器。
3.6散热器的机械尺寸和互换性
散热器与器件组装后的外形尺寸应符合有关标准的规定，如SF系列散热器组装后应符合GB/T8446.1的2.3规定。
各系列平板形散热器（或模块用散热器）对于凸台平板形器件（或模块）具有良好的通用互换性。一般，两、三种散热器可用于同一种器件，一种散热器又可用于两、三种器件。散热器台面上可安装器件的最大尺寸，取决于平板形散热器的两根、三根或四根螺栓之间的最大有效开档距离，对于模块用热管散热器取决于有效台面的尺寸，这些尺寸或距离在各散热器产品标准中有详尽数据。3.7散热器的绝缘件和紧固件
散热器的绝缘件外形尺寸、机械强度、绝缘耐压和紧固件的外形尺寸、机械强度、表观质量等技术要求应符合GB/T8446.3的规定。作为风、水冷散热器零部件的绝缘件和紧固件，有一定的通用互换性，选用时，应符合GB/T8446.31988的表1和表6分别规定的绝缘件型号和紧固件型号与散热器型号的对应关系。散热器的绝缘性能主要取决于其绝缘件的性能，对于平板形风冷散热器还与阴、阳极两散热体之间的空气放电距离（H，尺寸）有关，此尺寸应符合GB/T8446.1表10或JB/T8757表5的规定。为确保SS系列水冷散热器的绝缘性能和不短路，应防止散热器上出现凝露，对于85%相对湿度时，通常要求环境空气温度与冷却水温度之差不大于5℃，否则冷却水系统应有加热装置。依赖于环境温度和相3
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对湿度的“无露运行最低水温”详见附录A。环境温度Ta高、相对湿度大时均要求水温提高，在相对湿度95%时，要求T。与水温之差不大于1.5℃，而在相对湿度70%时，要求T，与水温之差不大于(9.5～11)℃。
3.8选用散热器的综合考虑
选用散热器时应正确识别散热器、绝缘件和紧固件的型号和意义，了解各系列散热器的散热能力范围、冷却方式、技术参数和结构特点。一种器件仅从热阻参数看，可能有两、三种散热器均能满足，但应结合冷却、安装、通用互换和经济性综合考虑选取一种最佳的散热器。选用散热器的般方法
4.1器件制造厂选用的方法
4.1.1总公式
器件带散热器额定或用全动态测试方法验证额定主电流时，应按最高工作结温、额定冷却条件、内热阻和正向（通态）伏安特性曲线（上限值）选用散热器，总的关系式是：Tjm - T
式中：R-所求散热器的热阻，C/W;Ti——最高工作结温，℃；
T--环境温度，℃，自冷或风冷为40℃、水冷为35℃；Rje器件的结壳热阻，℃/W;
Res—接触热阻，℃/W;
Pav——正向（通态）耗散平均功率，W。4.1.2步骤
：（1)
a）由Tm时正向（通态）峰值电压上限值Ve（Vu）的伏安特性曲线上两规定点，求出门槛电压Vro和斜率电阻rt；
b）按正弦半波、导通角180°的器件耗散功率公式（2）或（3）算出PavPav=0.785 Vry·Iav+0.215 Vro·IAvPAVto·IA+2.47r,·PAV
式中：Iw器件的额定主电流，A。(2）
（3）
c）由Rje、T和Pan按公式（4）算出最大允许的器件管壳温度T，若器件参数表中已给出T。值，则此步骤可省略；
T=Tm—Ric·PAV
d）由Rs、T和Pan按公式（5）算出最大允许的散热器台面温度Ts：T=T—Res · PAv'
e）由Tes、T和Pan按公式（6）算出散热器的热阻值Rsa：R. --.
（6）
f）查散热器产品标准，标准中热阻值与e项计算值相同，或小于又最接近计算值的散热器即为所选用的散热器。
4.1.3示例
已知：50A（I）整流管的参数为：JB/T9684—2000
Rj=0.6℃/W、Res=0.2℃/W、Uro=0.8V、T=150℃、rF6m2、T=40℃。求：用全动态测试法验证应带的散热器及允许的最大正向峰值电压（Urw）。a）按公式（3)，整流管最大允许耗散功率为PAv-Vro·IAv+2.47r·FAv-77.05Wb）按公式（4)，最大允许管壳温度为T=T—Ric·Pa=103.77℃
c）按公式（5），散热器基准点最高温度为T=T-Res·PAv-88.36℃
d）按公式（6），计算要求的散热器热阻值为Rs =-T=8836-40
e）实际选用的散热器
?0.63℃/W
查散热器标准（GB/T8446.1），SL16型风冷螺栓形散热器的热阻值为0.60℃/W，略小于又最接近d项计算值，则SL16型散热器即为所求。f）由（2）式变换，计算允许的最大正向峰值电压为Pv - 0.215U ro Ix ~ 1.74 U
由已知的Uo和rr按UrUo+rr·Iaw也可求得Ue1.74U。本例器件实配的散热器热阻（0.60）稍小于计算要求的值（0.63），即该器件按（6）式允许的Pav将提高至78.57W，由此按（2）式可得到Uev1.78V（对应IAv=52A）。对于器件制造厂，考虑到作为上限值Uey的少许余量和总是用50A（Iav）的峰值电流测试Uen本例Uey以1.74V给出较为妥当。4.2整机中选用的方法
4.2.1概述
整机中器件的散热器，应根据器件在整机中工作的实际冷却条件（冷却介质温度和流量）和稳、瞬态负载情况，并适当考虑安全系数应有的余量，按稳态不超过最高工作结温来选取。4.2.2一般步骤
a）根据器件在电路中工作的电流波形和导通角，确定器件工作时的Iax并按公式（7）算出IRus:IRuS-F·IAR
式中：IRws—器件的方均根电流，A；F波形因数。
·（7）
b）由IRs或180°导通角的Iav并结合浪涌电流等器件参数的考虑，查器件产品标准或数据手册，找到所需器件型号；
c）由所需器件的最大允许管壳温度T。与主电流Iaw的关系曲线，查得工作点I值对应的T.值，或由所需器件的有关参数按4.1.2a～c步骤算出T.值；d）用和4.1.2d～e相同的方法，算出散热器的热阻Rs;e）当散热器的工作环境与额定冷却条件一致时，由计算值R，查散热器标准数据表就可求得所选JB/T9684-2000
用的散热器：不一致时，则必须查散热器热阻与冷却介质（空气或水）流速或流量的关系曲线求得，或在b项时，先根据180°导通角的Iaw（或IRs）与冷却介质（空气或水）流速或流量的关系曲线，将I修正到额定冷却条件下的值，再确定所需器件的型号。4.2.3示例
电动机负载等级为I级，额定直流电流为516A，采用由晶闸管组成的三相桥电路供电，求每只晶闸管应带的散热器？
a）在三相桥中每只晶闸管负载为（导通角120°）Ir（Av)=1/3×516A=172A（假定It(An)）=It(DC）Ir(RMS)=F·It(AV)=1.73×172A=298A折合为正弦半波180°导通角的电流：It(Av)=298/1.57=190A
b）查器件标准，确定选用KP200型器件，参数表给出的有关参数为：T,=125℃、120°导通的R=0.11℃/W、Rc=0.03℃/W；查此型器件正弦波180°或方波120°导通角的Pr（AV)～IT(AV)曲线，对应正弦180°导通的190A或方波120°导通的172A的耗散功率：Pr(Av)=320W;
c) T=Tjz—Rj·Pr (Av)=125—0.11X320=89.9℃,若给出T～IIAv曲线，可由曲线对应工作点直接查出T值；d)T=T-Res·P(Av)=89.8-0.03×320=80.2℃;e）应带散热器的最大热阻值：
T, -T。_ 80.2 - 40 = 0.126 ℃ /WPr(v)
f）查散热器标准（GB/T8446.1），比较靠近又小于0.126℃/W热阻值的散热器有风冷螺栓SL19型（0.110℃/W）和风冷平板形SF11型（0.120℃/W），从热阻值看两者均能满足，到底取谁，要视设计余量、体积大小和结构、安装方式等因素综合确定：g）如散热器在比额定冷却条件差（如风速达不到6m/s）的环境工作，则应查比SL19或SF11型大一、二档的热阻与风速的关系曲线，对应实际冷却条件、热阻值又不大于0.126℃/W的散热器即为所求。
4.3紧固力（力矩）特性曲线
4.3.1概述
a）紧固力（F）或紧固力矩（M）特性曲线是敏感于力（力矩）的电特性与机械额定值相联系的一种性能曲线。通常以力（力矩）表示自变量，并作为曲线的横坐标，以接触热阻（Rcs）或正向（通态）峰值电压UFu（UT）表示因变量，并作为曲线的纵坐标；b）此曲线用于确定或正确选用散热器与器件安装的紧固力（力矩）额定值。4.3.2曲线的性质
a）是一条试验曲线；
b）曲线特性的优劣取决于散热器与器件有效接触面积大小、接触表面材质和机械加工等因素。曲线a是常观察到的形状，曲线b是试验难于得到的微观的必然定性情况。6
4.3.3曲线的四个区域
JB/T9684-2000
紧固力（力矩）特性曲线的定性形状如图2所示，并按力的大小和效果分为四个区域。Re
力偏小
（积热区）
力合适
（安全区）
力偏大
（应力区）
力过大
（断裂区）
a）力偏小区域（积热区）：此区域的力不能达到使散热器与器件良好的热接触，热特性不稳定，接触热阻过大，有积热产生，热和机械效应恶性循环将导致器件特性恶化或烧毁：b）力合适区域（安全区）：此区域又称定值区，在靠近曲线最低点左侧一个小范围，确定或选取紧固力（力矩）额定值。切忌取曲线最低点或其右侧范围的值；c）力偏大区域（应力区）：此区域前半段，表面上对有关短暂测试的出厂参数有利，但器件管芯硅片已受应力，散热器紧固件的塑性也可能消失或部分消失，对型式（周期）试验和长期工作寿命极为不利，这种内部已有应力的器件往往通不过浪涌电流试验，此区域后半段，由于力偏大，有效接触面积反而减少，宏观参数也朝不利方向变化：d）力过大区域（断裂区）：有效接触面积进一步减少，特性参数进一步恶化，甚至使管芯硅片断裂、散热器紧固件和绝缘件变形或破裂。5各系列散热器的特点
5.1自冷散热器
5.1.1一般要求
a）按有关标准，自冷散热器有SP、SZ、XZ和RM四个系列，分别有2个品种（规格）、5个品种（8个规格）、3个品种（11个规格）和5个品种（规格）；b）自冷散热器安装时，散热器叶片应平行于垂直上、下的冷热空气自然对流方向：c）JB/T8757中给出的热管散热器的热阻值是按热管水平放置确定的，而热管垂直放置较水平放置的热阻值，一般要减小5%至10%，甚至更多，因而在使用散管散热器时，应尽可能使其热管垂直放置。
5.1.2SP系列自冷散热器
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a）结构最简单，每种散热器都是一个兼顾安装用、表面有镀层的铜片：b）散热功率小，适用于小电流的螺栓器件，可用于15A（IF（Av)）、3～6W（PF(Av)）的整流管或1～3A（I(Av)）、2～5W（Pr(av)）的晶闸管。5.1.3SZ和XZ两系列自冷散热器
a）结构较简单，每种散热器均由一件散热体和一件兼安装用、表面有镀层的铜导电片组成，散热体材质为合金铝；
b）适用于中小电流螺栓形器件，可用于5～30A（IF（Av)）、8～40W（Pp（Av)）的整流管或5～20A（I（Av)）、7～30W（Pr(Av)）的晶闸管；c）SZ和XZ两系列散热器的基本结构形状、冷却方式和适用器件电流范围都相同，两者主要不同是制造工艺和外观：SZ型散热器由铸造或压铸工艺制造，散热器材质较纯或表面积较大，因而热阻稍小些，XZ型散热器由型材工艺制造，外观质量和机械强度较好。5.1.4RM系列自冷散热器
a）RM型自冷散热器是一种热管散热器，由于热管散热器传热性能优良，自冷热管散热器的最大特点和优势是适用于中大电流器件，并可代替部分较大容量的铸造或型材风冷散热器，从而省去风道、风机等装置，简化应用系统，提高系统的可靠性；b）RM系列是主要用于电力半导体模块的自冷热管散热器系列，其结构和台面上可能的安装方式也适用于平底形器件和单面散热的平板形器件。RM系列的热阻范围为0.50～0.075℃/W，适用的模块或分立器件的电流范围一般为30～400A，耗散功率范围一般为100～700W。5.2风冷散热器
5.2.1一般要求
a）按有关标准，风冷散热器有SL、SF、XL、XF、RK和RF六个系列，分别有6个品种（9个规格）、7个品种（8个规格）、4个品种（15个规格）、3个品种（6个规格）、4个品种（规格）和6个品种（8个规格）；
b）风冷散热器安装时，散热器叶片应沿冷却风气流方向：c）由于风冷散热器在风冷条件下有较强散热能力的特点，风冷散热器一般不宜作自冷散热器用；若用于自冷，则必须根据散热器热阻与风速关系曲线的零风速附近的热阻值决定散热器的负载能力；d）由于风冷散热器具有风阻参数的特点，选用整机中的散热器时，应根据负载要求和风机能力，查散热器热阻、流阻与风速的关系曲线，折中考虑散热器热阻和风阻两个参数。5.2.2SL和XL两系列风冷散热器
a）SL系列和XL系列均是用于螺栓形器件的风冷散热器，其结构组成和材质分别与SZ系列和XZ系列相似或相同。SL系列是铸造类散热器，XL是型材类散热器，XL系列还可用于电力半导体模块，型号中不带规格字母的，如XL17、XL18等均是模块用的风冷散热器。b）适用于中大电流螺栓形器件，可用于30～500A（IF（v)）、60～700W（PF（4v）的整流管或30~400A（If（Av)）、50～600（Pr(av））的品闸管。5.2.3SF、XF和RF三系列风冷散热器a）SF、XF和RF分别属于铸造类散热器、型材类散热器和热管类散热器。铸造类SF系列平板形风冷散热器的材质可用纯铝，这有利于热阻的减少。型材类XF系列平板形风冷散热器的机械强度和外8
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观质量好，根据不同应用需求，可改变型材拉制方向的散热器尺寸。热管类RF系列平板形风冷散热器，更适用于大电流和特大电流器件，RF18能满足Φ100mm管芯的器件应用，RF系列较SF或XF系列同体积，同热阻水平的散热器，其散热体重量轻一半左右；b）一套散热器由两件散热体和若干个紧固件、绝缘件组成。散热体的叶片为树枝状分布，材质为纯铝或合金铝，热管散热器的热管为铜材；c）与器件安装是平面接触，具有良好的通用互换性；d）适用于大电流和特大电流平板形器件，SF和XF系列可用于200～1600A（IF（Av)）、300～3000W（PF（Av)）的整流管或200～1200A（I（Av)）、200～2000W（P（AVv)）的晶闸管。RF系列可用于300～2500A的整流管或200～2000A的晶闸管。5.2.4RK系列风冷散热器
a）RK系列风冷散热器是主要适用于电力半导体模块的一种热管散热器，RK系列和RM系列结构相同，不同型号的热管散热器也可安装1至3只模块。RK系列热管散热器也可用于平底形器件和单面散热的平板形器件；
b）RK型风冷热管散热器较RM自冷热管散热器热阻小得多，更适用于中大电流模块，RK系列的热阻范围为0.10～0.06℃/W，可用于模块或分立器件的电流范围一般为100～600A，耗散功率范围一般为200～1200W。
5.3水冷散热器
5.3.1一般要求
a）按GB/T8446.1，SS系列水冷散热器有四个品种（规格）的外形和安装尺寸，此外，还有SS15和SS16两种水冷散热器，可供特大电流器件选用；b）相对于风冷散热器，水冷散热器体积小、重量轻、散热效率高；c）对冷却水的水质应有一定要求：循环水的电阻率应不低于2.5k、pH值在6～9之间；d）水冷散热器在工作时，应特别注意防漏水、防堵塞、防凝露。5.3.2SS系列水冷散热器
a）水冷散热器的结构组成和良好的通用互换性与SF系列风冷散热器类似，散热体材质是表面有镀层的铜材：
b）适用于更大电流和特大电流的平板形器件，可用于200～4000A（IF（Av)）、500～6200W（PF（Av)）的整流管或200～3000A（Ir（Av)）、400～4800W（Pt（Av)）的晶闸管；c）水冷散热器通常不用于2000V以上的器件，当用于高电压或较高电压器件时，必须确保上述水质的要求或更高水质的要求。6散热器与器件的参数关系
6.1计算参数关系的原则、条件和方法6.1.1计算参数关系的原则
a）针对器件常用最高工作结温150℃、125℃和115℃；b）器件的结壳热阻依据JB/T5837和JB/T5838等标准：c）散热器与器件必须能机械配合，如M8的螺栓形散热器只能计算与M8的螺栓形器件的参数关系9