高功率电阻的结构和热阻浅析

简介

电阻产品的特性随着市场需求的不断提高而越来越好。除了小尺寸上承受的高耗散功率外，无源器件还必须可以工作在高峰值功率的压力下。随着无线检测和测距的（雷达）应用在工业领域，包括商用部分，变得越来越流行，峰值功率的需求也持续发展，并且有希望在某些时候变得标准化。除了传统的雷达应用外，许多现代的无线通信也开始采用突发传输这样的技术。这就直接导致在传输的过程中会出现较高的峰值功率电平。为保证产品的寿命，按照产品需要所特别设计和生产的无源产品需要承受更高的峰值功率。

本文用来介绍EMC Rflabs相关电阻产品的机械结构及其热传导路径，希望有助于增加工程师对电阻类产品的深层次理解。

高功率电阻的结构

为更好的理解高功率电阻的设计目的，我们需要具备电阻整体组装和耗散机制的一些知识。图1是EMC Rflabs公司生产的料号为32-1123的法兰型负载的侧面爆炸图。负载是指一个一端接地的50欧姆电阻。（在本文中，电阻和负载由于具有相同的散热机制而会被交叉使用）。图1同时也包含负载接地的安装面，其同时具有电气和散热的作用。图上并没有标明刻度，因此只起参考的作用。图1中涉及的物料清单的作用和材料组成见表1.

电阻的组装开放图见图2。其中为清楚显示电阻的核心部分：有效电阻区域，去掉了陶瓷上盖和环氧基树脂。有效电阻区域（A cm^2）是指将电/射频能量转换为热量的耗散单元。通常，有效电阻区域越大，其消耗大功率的能力就越强。为保证较高的性能，从电阻膜到客户的安装面或者散热器这个通路上的热阻越小越好。基于这个原因，高功率产品需要同时具有良好的热传导和电气隔离的性能。通常，高功率应用中选用的材料为氧化铍，氮化铝和CVD钻石。

高功率电阻的热传导路径

从图1可以看出，负载由很多的部分组成。在实际使用时，其会被安装到散热器上。散热器应当具有足够的散热能力，确保其上面的器件可以工作在合适的温度。进一步来说，散热器还应该是一个电的良导体，以保证良好的射频接地。在实际应用时，系统中有两个直接的散热通道。其等效电路模型见图3。第一个，也就是首要的散热路径是热量通过法兰表面传播出去。第二个是热量经过陶瓷上盖通过对流或者传导的方式散热。使用叠加理论，这两个散热路径是并行存在的。然而，在正常工作条件下，法兰路径上由于具有较低的热阻，使得其在散热上相比较陶瓷上盖路径占据主导作用。因此，有效电阻区域到散热片的热阻为：

如果陶瓷上盖的散热片是有效的，那么这个公式应该增加这部分的热阻。通过对流或者传导散热的陶瓷上盖可以进一步提高负载的功率容量。

如前所述，负载最有效的散热方式是法兰的传导散热。主要是由于电阻膜到法兰的热阻，θjb，远远小于电阻膜到陶瓷上盖的热阻，θjc。需要特别注意的是，法兰需要有很好的安装条件。如果θmounting变大，从电阻膜到散热器的等效热阻也会变得很大，这将导致它们之间的温差变大，最终有可能损坏电阻。安装法兰电阻时，在法兰的底面和散热器的表面需要使用一层薄薄的导热胶。这也有助于缓和法兰和散热器接触面之间的不平整性。另外，它们之间的空气空洞也需要尽量避免。用于电气连接的螺钉直接通过法兰紧紧拧下去。这也有助于降低热阻以及保证到地连接的电气可靠性。

功率电阻的热阻与功率容量

在高功率电阻的设计过程中，需要建立其热仿真模型来确保其热阻足够低，以确定在给定的功率电平上，耗散单元可以承受的最高温度。电阻的功率容量和多个因素有关，但最终是由等式P×θ=ΔT决定。在等式中，P是指耗散的功率，θ是电阻膜与法兰表面之间的热阻，ΔT是电阻膜与法兰表面之间的温差（Tfilm - Tbase）。在工业标准中，最大可允许的基准温度是150℃，然而基于实际使用方法和制造电阻所需的阻性材料，这个温度可以变的更高。图7表示标准的功率降额曲线，从图中可以看出其最大的工作法兰温度为150℃。图8是一个扩展的功率降额曲线，从图中可以看出，其最大的工作法兰温度为200℃。在正常的功率耗散条件下，电阻的安全工作范围仅仅和电阻膜的温度有关。请看图8。除了标识了电阻的安全工作区域外，功率降额曲线和X轴的交点有包含有非常有用的信息。装配好的电阻的基准温度开始下降的点就是电阻膜安全工作温度的最大值，Tfilm max。当耗散功率P接近0时，根据等式，ΔT也接近0.从等式P×θ=ΔT= Tfilm - Tbase可以得出：如果P为0，Tfilm 就等于Tbase。因此，在曲线上，对应于0功率点的基准温度就是电阻膜的最大可接受温度。

热阻θjb最大值的判定方法

当系统设计中使用高功率电阻时，从电阻膜或者连接点到散热片的最大的热阻一定要了解清楚。最大的热阻，θjb（最大），可以通过电阻承受功率的对应降额曲线来获得。通过前述的热等式，最大的热阻可以表示为：θjb（max）=ΔT/P。举例来说，料号为32-1123的电阻，其在标准的降额下可以承受350W的平均功率。那么其最大的热阻计算如下：

总结

EMC Rflabs公司在无源功率解决方案上有超过20年的经验。对功率产品的架构及设计均有超强的设计背景，不仅开发出了一整套的标准测试方法用来验证已有的功率产品线，可以为高功率产品提供全套的测试服务，包括连续波测试和脉冲功率测试。在后续的文章中，我们会重点介绍高功率产品的测试，主要分为直流/射频功率测试和脉冲功率测试两部分。