第五章 热分析方法
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热分析方法简介热分析是在程序控制温度的条件下,测量物质的物理性质随温度变化关系的一类技术。
该技术包括三个方面的内容:其一,物质要承受程序控温的作用,通常指以一定的速率升(降)温。
其二,要选定用来测定的一种物理量,它可以是热学的、力学的、声学的、光学的以及电学的和磁学的等。
其三,测量物理量随温度的变化关系。
物质在受热过程中要发生各种物理、化学变化,可用各种热分析方法跟踪这种变化。
表1中列出根据所测物理性质对热分析方法的分类。
其中以差热分析(DTA)和热重分析(TG)的历史最长,使用也最广泛;微分热重分析(DTG)和差示扫描置热法(DSC)近年来也得到较迅速地发展。
下面简单介绍DTA、TG和DSC的基本原理和技术。
表1热分析方法的分类(一)差热分析(DTA)差热分析是在程序控制温度下,测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。
差热分析曲线是描述样品与参比物之间的温差(ΔT)随温度或时间的变化关系。
在DAT试验中,样品温度的变化是由于相变或反应的吸热或放热效应引起的。
一般说来,相变、脱氢还原和一些分解反应产生吸热效应;而结晶、氧化和一些分解反应产生放热效应。
图1为差热分析装置示意图,典型的DTA装置由温度程序控制单元、差热放大单元和记录单元组成。
将试样S和参比物R一同放在加热电炉中进行程序升温,试样在受热过程中所发生的物理化学变化往往会伴随着焓的改变,从而使它与热惰性的参比物之间形成一定的温度差。
差热分析中温差信号很小,一般只有几微伏到几十微伏,因此差热信号经差热放大后在记录单元绘出差热分析曲线。
从曲线的位置、形状、大小可得到有关热力学和热动力学方面的信息。
在理想条件下,差热分析曲线如图图2所示。
图中的纵坐标表示试样和参比物之间的温度差;横坐标表示温度T、或升温过程的时间t。
如果参比物的热容和被测试样的热容大致相同,而试样又无热效应时,两者的温度差非常微小,此时得到的是一条平滑的基线AB。
随者温度的上升,试样发生了变化,产生了热效应,在差热分析曲线上就出现一个峰如图2中的BCD和EFG。
热分析方法东方科技,结构设计室1.热分析的目的温度过高会造成电子产品的损坏。
任何元器件、封装在一定温度下都有一定的失效率,温度越高失效率越大,按指数增长。
通过热分析使分配给每一个元器件的失效率一致,并且使元器件工作在要求的温度范围之内。
换言之,热分析可以确保电子产品工作可靠,各个元器件温度分布均匀。
2.术语温升零部件、元器件温度与环境温度的差值。
热耗又叫损耗,指元器件或设备工作时产生的热量。
热耗不同于功耗,功耗是元器件或设备的输入功率。
一般电子器件效率比较低,大部分功耗转化为热量。
热流密度单位面积上的热耗,单位W/m2。
热阻1W热量引起的温升大小,反映介质传热能力的大小,单位℃/W。
导热系数1m厚的材料,两侧表面的温差为1℃,在1秒内,通过1平方米面积传递的热量,单位W/m∙K。
对流换热系数流体与壁面的温差为1℃时,在单位时间通过单位面积的热量,表示流体与固体表面之间的换热能力,单位W/m2∙K。
系统阻力流体经过设备或机柜风道、散热器风道、进风系统过滤网等通道产生的静压差,单位Pa。
风机特性表示风机主要性能参数(风量、风压、功率、效率)之间的关系的曲线。
风机运行点系统阻力曲线与风机特性曲线的交点。
表示风机实际的工作状态。
壳温指元器件安装接触面的温度,如IGBT与散热器接触底面的温度。
结温指元器件内部的温度,如IGBT芯片或二极管芯片的温度。
3.IGBT热耗热分析前必须计算元器件的热耗,热耗计算错误必将导致错误的分析结果,严重的会使设备温升过大,当环境温度较高时设备无法运行或损坏。
表1. IGBT热耗计算参数其中,壳温按80℃,最大结温查询IGBT手册。
此外,计算参数还包括环境温度T a,及每桥臂对应散热器热阻R th。
3.1.热耗计算根据[表1]中的数据可以算出IGBT芯片及二极管芯片的导通损耗P cond,开关损耗P SW,总损耗P cond+P SW;引脚损耗P RCC′EE′。
引脚损耗通过接线端子可以散发出去,为了使分析结果更接近真实值,一般热分析时不考虑这部分热量,但时,在极端条件下引脚损耗的热量也会进入IGBT基板,增加散热器的负荷。