電力中的電子設(shè)備熱效應(yīng)分析及應(yīng)用

9．6 散熱器的熱設(shè)計(jì)

9．6．1散熱器的選擇與使用

從傳導(dǎo)公式可以看出，在器件內(nèi)熱阻，界面熱阻和散熱器熱阻一定的情況下，器件功耗直接影響結(jié)溫。因此，熱設(shè)計(jì)的任務(wù)就是盡可能減少界面熱阻和散熱器熱阻。對(duì)器件與散熱器的接觸面進(jìn)行光潔處理、適度增加接觸壓力、充分利用接觸面積、減少接觸面插入物質(zhì)厚度和選用低熱阻率的導(dǎo)熱絕緣襯墊可以有效降低界面熱阻。使用導(dǎo)熱襯墊時(shí)還要考慮六個(gè)月以后的界面熱阻會(huì)有約20%的增加。

9．6．2散熱器選用原則

⑴根據(jù)器件功耗、環(huán)境溫度及允許最大結(jié)溫來選擇合適的散熱器。

⑵器件與散熱器的接觸面應(yīng)保持平整光潔，散熱器的安裝孔要去毛刺。

⑶器件與散熱器和絕緣片間的所有接觸面處應(yīng)涂導(dǎo)熱膏或加導(dǎo)熱絕緣硅橡膠片。

⑷型材散熱器應(yīng)使肋片沿其長(zhǎng)度方向垂直安裝，以便于自然對(duì)流。

⑸散熱器應(yīng)進(jìn)行表面處理，以增強(qiáng)輻射換熱。

⑹應(yīng)考慮體積、重量及成本的限制和要求。

9．6．3散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則

⑴選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料（如銅和鋁等）。

⑵盡可能增加散熱器的垂直熱面積。

⑶晶體管安裝平面平整光潔，以減小接觸熱阻。

⑷散熱器的結(jié)構(gòu)工藝和經(jīng)濟(jì)性要好。

10 熱設(shè)計(jì)、熱分析在風(fēng)機(jī)變流器的應(yīng)用

圖 4 主功率模塊安裝在散熱器上的圖片

具體的計(jì)算要按上述分析的步驟，不再熬述。這里只闡述相關(guān)的方法和步驟。

首先根據(jù)主功率模塊（IGBT）的發(fā)熱量來選用散熱器，散熱器的選擇最好是基面和散熱齒是整體擠壓的結(jié)構(gòu)，這種散熱器熱阻小，有利于模塊的散熱。

考慮到六個(gè)IGBT模塊的發(fā)熱量比較大，采用自然風(fēng)冷不能解決問題，所以采用強(qiáng)迫風(fēng)冷抽風(fēng)冷卻的形式。風(fēng)機(jī)選用德國(guó)進(jìn)口ebm三相700W的大風(fēng)機(jī)。

為了提高散熱效果，在六個(gè)主功率模塊后面制作一件漏斗，另外將散熱器的前斷面緊貼主機(jī)柜的前門，縮短風(fēng)道長(zhǎng)度利于散熱。

在主機(jī)柜正對(duì)著模塊散熱器的部位開六個(gè)長(zhǎng)方形的進(jìn)風(fēng)口，使每個(gè)模塊都形成各自獨(dú)立的風(fēng)道，大大地提高了散熱效果。

圖 5 主機(jī)柜門上開孔正對(duì)著六個(gè)模塊形成獨(dú)立風(fēng)道的圖片

考慮主機(jī)柜下面的電抗器及電阻的發(fā)熱會(huì)影響主功率模塊的散熱，所以將電抗器和電阻部分的熱量設(shè)計(jì)成另外的一件漏斗，后部采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的抽風(fēng)結(jié)構(gòu)，將電抗器和電阻的熱量抽出，這樣主功率模塊和下面的電抗器及電阻各自形成自己的風(fēng)道，互不干擾，保證整個(gè)元器件的有效散熱。

圖 6 主機(jī)柜下部的電抗器和電阻形成獨(dú)立風(fēng)道的圖片

11 結(jié) 束 語

熱設(shè)計(jì)的基本理論除了傳熱學(xué)和流體力學(xué)外，還涉及物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、環(huán)境學(xué)及數(shù)學(xué)等學(xué)科，它是綜合學(xué)科的反映，一個(gè)好的熱設(shè)計(jì)師必須掌握熱設(shè)計(jì)的基本理論，及相應(yīng)的知識(shí)。

熱設(shè)計(jì)是全方位的，從系統(tǒng)、整機(jī)、單元、模塊到元器件和原材料都要綜合分析和設(shè)計(jì)，各有各的熱設(shè)計(jì)特殊性，必須進(jìn)行全方位的進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，有一個(gè)方面考慮不周，可能導(dǎo)致產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)不能滿足要求，進(jìn)而使產(chǎn)品可靠性不能滿足用戶要求。

熱設(shè)計(jì)〔控制〕是全過程的，從產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)與研制、生產(chǎn)與使用必須進(jìn)行全過程熱設(shè)計(jì)〔控制〕監(jiān)控，只要有一個(gè)環(huán)節(jié)失控，就達(dá)不到熱設(shè)計(jì)預(yù)定的目標(biāo)。

熱設(shè)計(jì)與技術(shù)性能設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)、維修性設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)等既統(tǒng)一又相互制約，必須全面統(tǒng)籌考慮，優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為了得到最隹熱設(shè)計(jì)，往往會(huì)增加設(shè)計(jì)成本，這就需要熱設(shè)計(jì)們進(jìn)行權(quán)衡優(yōu)化，在熱設(shè)計(jì)前提出最優(yōu)的熱設(shè)計(jì)方案，并予以實(shí)施。

由于導(dǎo)熱系統(tǒng)復(fù)雜，不確定因素較多，因此，理論計(jì)算出的值與實(shí)際是有差距，可作為設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，因此設(shè)計(jì)完成之后，必須進(jìn)行熱測(cè)量和熱分析，以修正熱設(shè)計(jì)。

伴隨科學(xué)技朮的發(fā)展，一些新的導(dǎo)熱技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如：蒸發(fā)冷卻、熱管散熱、半導(dǎo)體致冷等。

本文通過電力電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)分析，給予從事熱設(shè)計(jì)人員的一些引導(dǎo)和啟迪，伴隨新的熱設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，熱設(shè)計(jì)也必將推動(dòng)可再生能源的發(fā)展。


附錄：熱分析仿真軟件

⑴ Icepak：

Icepak是Fluent公司開發(fā)的專門用于電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的分析軟件。它基于CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）求解器。具有自動(dòng)化的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成能力和局部加密技術(shù)，支持四面體、五面體、六面體、柱體以及混合網(wǎng)格。

⑵ Flotherm：

Flotherm是英國(guó)Flomerics公司開發(fā)的特別針對(duì)電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)分析軟件。在全球擁有較廣泛的用戶。

上述軟件均有強(qiáng)大的可視化后處理功能及較強(qiáng)的建模求解能力。


參考文獻(xiàn)：
【1】電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)、熱分析,中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所培訓(xùn)中心
【2】電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)講座,中國(guó)電子學(xué)會(huì)教育部,2007年9月,上海
【3】可靠性設(shè)計(jì),中國(guó)電子學(xué)會(huì),2008年5月,南京■