電力電子設備熱設計的分析及應用

1 引言

在風機變流器和光伏并網逆變器的整機設計中，主功率模塊、電抗器及電阻的熱設計是非常關鍵的。要保證上述元器件在許可的溫度下正常工作運行，熱量的分析及散熱設計至關重要。本文通過對電力電子設備的熱分析，能很好解決以上問題。

2熱分析的目的

利用數(shù)學手段及通過計算機模擬，在設計階段獲得溫度分布。在設計初期就能發(fā)現(xiàn)產品的熱缺陷，從而改進其設計，建立一個滿足可靠性要求的環(huán)境溫度控制系統(tǒng)。也就是設計一個冷卻系統(tǒng)，在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻通道，保證熱量順利傳遞出去。控制電子產品內部所有電子元器件的溫度，使其在設備所處的工作環(huán)境條件下不超過最高允許溫度，確保電子產品在規(guī)定的熱環(huán)境下可靠工作。

3 熱設計的核心

設計一個冷卻系統(tǒng)，在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻通道，保證熱量順利傳遞出去。

溫度對電子產品可靠姓影響極大，尤其對半導體器件最為敏感，如下圖所示，幾乎所有電子元器件參數(shù)都與溫度有關。

圖 1 電子元器件故障率與溫度的關系

4 熱設計的基本要求

電子產品熱設計應首先根據設備的可靠性指標及設備所處的環(huán)境條件確定熱設計目標，熱設計目標一般為設備內部元器件允許的最高溫度，根據熱設計目標及設備的結構、體積、重量等要求進行熱設計，主要包括冷卻方法的選擇、元器件的安裝與布局、印制電路板、電阻、電抗器、變壓器、模塊散熱結構的設計和機箱散熱結構的設計。

電子設備的熱設計要與電路設計和結構設計同時進行，滿足設備可靠性的要求。

熱設計與維修性設計相結合，可提高設備的可維修性。

5 熱設計中術語的定義
⑴ 熱特性：設備或元器件的溫升隨熱環(huán)境變化的特性，包括溫度、壓力和流量分布特征。
⑵ 熱流密度：單位面積的熱流量。
⑶ 熱阻：熱量在熱流路徑的阻力。
⑷ 內熱阻：元器件內部發(fā)熱部位與表面某部位之間的熱阻。
⑸ 安裝熱阻：元器件與安裝表面之間的熱阻，又叫界面熱阻。
⑹ 溫度穩(wěn)定：溫度變化率不超過每小時2℃時，稱為溫度穩(wěn)定。
⑺ 溫度梯度：等溫面的法向方向上單位距離所引起的溫度增量定義為溫度梯度。
⑻ 紊流器：提高流體流動紊流程度并改善散熱效果的裝置。
⑼ 熱沉：是一個無限大的熱容器，其溫度不隨傳遞到它的熱能大小而變化。它也可能是大地、大氣、大體積的水或宇宙，又稱熱地。

6 熱傳遞的三種方式

傳熱的基本形式有傳導、對流和熱輻射三種。

⑴ 傳導散熱是指物體直接接觸時，能量交換的現(xiàn)象。在不同的物體中，其導熱機理各不相同，在非導電固體和液體中，主要依靠物體內部分子運動的彈性波在傳遞熱量。在金屬導體中，主要依靠自由電子的運動傳遞能量。因此，導電性能好的材料，其導熱性能也好，氣體的導熱主要依靠分子的不規(guī)則運動傳遞能量。傳導散熱量計算如下：
Q=KA△t/L （1）
式中：
Q——傳導散熱量，W
K——導熱系數(shù)，W/m·℃
A——導體橫截面積，m2
△——傳熱路徑兩端溫差，℃
L——傳熱路徑長度，m


⑵ 對流換熱是流體流過固體壁面時的一種能量交換現(xiàn)象，它與流體的宏觀運動密切相關，而且與流體的物理性質以及換熱面的幾何形狀，放置位置等因素有關。在具體研究或計算對流換熱時，應注意計算用的準則方程的限制條件。對流散熱量計算如下：
Q=hA△t （2）
式中：
Q——對流散熱量，W
h——換熱系數(shù)，W/m2·℃
A——有效換熱面積，m2
△t——換熱表面與流體溫差，℃


⑶ 熱輻射是靠電磁波傳遞能量的一種現(xiàn)象。在傳遞過程中，有能量形式的轉換，即熱能變成輻射能，被物體吸收后，又變成熱能。熱輻射不需要介質，在真空中熱輻射最強，故外層空間的飛行器表面利用輻射換熱較為有利。輻射散熱量計算如下：
Q= · ·T4 （3）
式中：
Q——輻射散熱量，W
——散熱表面輻射率，W/m2·℃
σ——斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8(W/m2K4)
T——絕對溫度，K

電子設備熱傳遞的三種方式如圖2所示。

圖2 電子設備熱傳遞方式

7 熱設計應考慮的因素
⑴ 工作過程中，功率元件耗散的熱量。
⑵ 設備周圍的工作環(huán)境，通過導熱、對流和輻射的形式，將熱量傳遞給電子設備。
⑶ 設備與大氣環(huán)境產生相對運動時，各種摩擦引起的增溫。
⑷ 環(huán)境溫度和壓力（或高度）的極限值。
⑸ 環(huán)境溫度和壓力（或高度）的變化率。
⑹ 太陽或周圍物體的輻射熱。
⑺ 可利用的熱沉（包括：種類、溫度、壓力和濕度）。

8 熱設計的詳細步驟
⑴確定設備(或元器件)的散熱面積、散熱器或周圍空氣的極值環(huán)境溫度范圍。
⑵確定冷卻方式。
⑶對少量關鍵發(fā)熱元器件進行應力分析，確定其最高允許溫度和功耗，并對其失效率加以分析。
⑷按器件和設備的組裝形式，計算熱流密度。
⑸由器件內熱阻(查器件手冊)確定其最高表面溫度。
⑹確定器件表面到散熱器或空氣的總熱阻。
⑺根據熱流密度等因素對熱阻進行分析與分配，并對此加以評估，確定傳熱方法和冷卻技術。
⑻選定散熱方案。

9 熱設計分析

9．1主要電子元器件熱設計

⑴電阻器。電阻器的溫度與其形式、尺寸、功耗、安裝位置及方式、環(huán)境溫度有關，一般通過本身的輻射、對流和引出線兩端的金屬熱傳導來散熱，在正常環(huán)境溫度下，經試驗得知，對功率小于0.5W的炭膜電阻，通過傳導散去的熱量占50%，對流散熱占40％，輻射散熱占10％。因此在裝配電阻器時，要使其引出線盡可能短，以減小熱阻，安裝方式應使其發(fā)熱量大的面垂直于對流氣體的通路，并加大與其他元器件之間的距離，以增加對流散熱效果，電阻器的表面涂以無光澤的粗糙漆，可提高輻射散熱能力。

⑵變壓器。鐵芯和線包是變壓器的熱源，傳導是其內部的主要傳熱途徑，因此要求鐵芯與支架，支架與固定面都要仔細加工，保證良好接觸，使其熱阻最小，同時在底板上應開通風孔，使氣流形成對流，在變壓器表面涂無光澤黑漆，以加強輻射散熱。

9．2模塊的熱設計

⑴模塊熱設計是使模塊在上述任一傳熱路徑上的熱阻足夠低，以保證元器件溫度不超過規(guī)定值，將界面溫度即散熱片或導軌的表面溫度控制在0℃～60℃。模塊的熱設計有兩類問題：根據模塊內部要求進行設計，包括界面溫度、功耗和元器件的許用溫度等；根據系統(tǒng)的環(huán)境、封裝、單個或組合的模塊功耗等要求，對整個系統(tǒng)進行熱設計。

⑵ 模塊內部的熱設計。為滿足電子模塊的可靠性要求，設計上必須保證模塊處于最大功耗時及在其額定界面溫度下，使所有元器件的溫度低于元器件的臨界溫度(即比有關規(guī)范規(guī)定的額定值的100%低20℃的溫度)。元器件的瞬態(tài)臨界溫度(指額定值)可看作安全因子，當散熱片和導軌溫度達到80℃(比最高界面溫度高20℃)時所有元器件的溫度應低于或等于元器件的瞬態(tài)臨界溫度。

9．3整機散熱設計

⑴ 確定整機的熱耗和分布。

⑵ 根據整機結構尺寸初步確定散熱設計方案。

⑶ 對確定的冷卻方式進行分析(如強迫風冷的風機數(shù)量，選型，級聯(lián)方式，風道尺寸，風量大小，控制方式等)。

⑷ 針對分析結果可利用熱分析軟件進一步驗證。

⑸ 對散熱方案進行調整進而最后確定。

9．4 機殼的熱設計

電子設備的機殼是接受設備內部熱量，并通過它將熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中去的一個重要熱傳遞環(huán)節(jié)。機殼的設計在采用自然散熱和一些密閉式的電子設備中顯得格外重要。試驗表明，不同結構形式和涂覆處理的機殼散熱效果差異較大。機殼熱設計應注意下列問題：

（1）增加機殼內外表面的黑度，開通風孔（百葉窗）等都能降低電子設備內部元器件的溫度；

（2）機殼內外表面高黑度的散熱效果比兩測開百葉窗的自然對流效果好，內外表面高黑度時，內部平均降溫20℃左右，而兩側開百葉窗時（內外表面光亮），其溫度只降8℃左右；

（3）機殼內外表面高黑度的降溫效果比單面高黑度的效果好，特別是提高外表面黑度是降低機殼表面溫度的有效辦法；

（4）在機殼內外表面黑化的基礎上，合理地改進通風結構（如頂板、底板、左右兩側板開通風孔等），加強空氣對流，可以明顯地降低設備的內部溫度環(huán)境；

（5）通風口的位置應注意氣流短路而影響散熱效果，通風孔的進出口應開在溫差最大的兩處，進風口要低，出風口要高。風口要接近發(fā)熱元件，是冷空氣直接起到冷卻元件的作用；

（6）在自然散熱時，通風孔面積的計算至關重要，圖3示出了通風孔面積與散熱量的關系，可供設計通風口時作依據，亦可根據設備需要由通風口的散熱量用下式計算通風孔的面積。
S0=Q/7.4×10-5·H · △t1. 5 （4）
式中：
S0——進風口或出風口的總面積〔cm2〕；
Q——通風孔自然散熱的熱量〔設備的總功耗p去壁面自然對流和輻射散去的熱量〕〔W〕；
H——進出風口的高度差〔cm〕；
△t ==t2-t1——設備內部空氣溫度t2與外部空氣溫度t1之差〔0C〕。

（7）通風口的結構形式很多，有金屬網，百葉窗等等，設計時要根據散熱需要，既要使其結構簡單，不易落灰，又要能滿足強度，電磁兼容性要求和美觀大方。

（8）密封機殼的散熱主要靠對流和輻射，決定于機殼表面積和黑度，可以通過減小發(fā)熱器件與機殼的傳導熱阻，加強內部空氣對流（如風機）增加機殼表面積（設散熱筋片）和機殼表面黑度等來降低內部環(huán)境溫度。

圖3 自然散熱時通風孔面積和散熱量的關系

9．5強迫風冷設計

當自然冷卻不能解決問題時，需要用強迫空氣冷卻，即強迫風冷。強迫風冷是利用風機進行鼓風或抽風，提高設備內空氣流動速度，達到散熱的目的。強迫風冷的散熱形式主要是對流散熱，其冷卻介質是空氣。強迫風冷在中、大功率的電子設備中應用較廣范，因為它具有比自然冷卻多幾倍的熱轉移能力，與其他形式的強迫冷卻相比具有結構簡單，費用較低，維護簡便等優(yōu)點。

整機強迫風冷系統(tǒng)有兩種形式：鼓風冷卻和抽風冷卻。

鼓風冷卻的特點是風壓大，風量比較集中。適用于單元內熱量分布不均勻，風阻較大而元器件較多的情況。

抽風冷卻的特點是風量大，風壓小，風量分布較均勻，在強迫風冷中應用更廣泛。

對無管道的機柜抽風，整個機柜相當于一個大風管，要求機柜四周密封好，測壁上也不應開孔，只允許有進、出風口。考慮熱空氣上升，抽風機常裝在機柜上部或頂部，出風口面對大氣，進風口則裝在機柜下部，這種風冷形式常適用于機柜內各元件冷卻表面風阻較小的設備。對于在氣流上升部位有熱敏元件或不耐熱元件的設備則必須用風道使氣流避開，并沿需要的方向流入其進風口，通常在機柜側面，出風口（抽風口機）在機柜頂部。

9．6 散熱器的熱設計

9．6．1散熱器的選擇與使用

從傳導公式可以看出，在器件內熱阻，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溫。因此，熱設計的任務就是盡可能減少界面熱阻和散熱器熱阻。對器件與散熱器的接觸面進行光潔處理、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厚度和選用低熱阻率的導熱絕緣襯墊可以有效降低界面熱阻。使用導熱襯墊時還要考慮六個月以后的界面熱阻會有約20%的增加。

9．6．2散熱器選用原則

⑴根據器件功耗、環(huán)境溫度及允許最大結溫來選擇合適的散熱器。

⑵器件與散熱器的接觸面應保持平整光潔，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涂導熱膏或加導熱絕緣硅橡膠片。

⑷型材散熱器應使肋片沿其長度方向垂直安裝，以便于自然對流。

⑸散熱器應進行表面處理，以增強輻射換熱。

⑹應考慮體積、重量及成本的限制和要求。

9．6．3散熱器結構設計基本準則

⑴選用導熱系數(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散熱器的結構工藝和經濟性要好。

10 熱設計、熱分析在風機變流器的應用

圖 4 主功率模塊安裝在散熱器上的圖片

具體的計算要按上述分析的步驟，不再熬述。這里只闡述相關的方法和步驟。

首先根據主功率模塊（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構，這種散熱器熱阻小，有利于模塊的散熱。

考慮到六個IGBT模塊的發(fā)熱量比較大，采用自然風冷不能解決問題，所以采用強迫風冷抽風冷卻的形式。風機選用德國進口ebm三相700W的大風機。

為了提高散熱效果，在六個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柜的前門，縮短風道長度利于散熱。

在主機柜正對著模塊散熱器的部位開六個長方形的進風口，使每個模塊都形成各自獨立的風道，大大地提高了散熱效果。

圖 5 主機柜門上開孔正對著六個模塊形成獨立風道的圖片

考慮主機柜下面的電抗器及電阻的發(fā)熱會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計成另外的一件漏斗，后部采用強迫風冷的抽風結構，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道，互不干擾，保證整個元器件的有效散熱。

圖 6 主機柜下部的電抗器和電阻形成獨立風道的圖片

11 結 束 語

熱設計的基本理論除了傳熱學和流體力學外，還涉及物理學、化學、材料學、環(huán)境學及數(shù)學等學科，它是綜合學科的反映，一個好的熱設計師必須掌握熱設計的基本理論，及相應的知識。

熱設計是全方位的，從系統(tǒng)、整機、單元、模塊到元器件和原材料都要綜合分析和設計，各有各的熱設計特殊性，必須進行全方位的進行熱設計，有一個方面考慮不周，可能導致產品熱設計不能滿足要求，進而使產品可靠性不能滿足用戶要求。

熱設計〔控制〕是全過程的，從產品方案設計、設計與研制、生產與使用必須進行全過程熱設計〔控制〕監(jiān)控，只要有一個環(huán)節(jié)失控，就達不到熱設計預定的目標。

熱設計與技術性能設計、電路設計、機械結構設計、工藝設計、EMC設計、維修性設計、安全性設計等既統(tǒng)一又相互制約，必須全面統(tǒng)籌考慮，優(yōu)化設計。

為了得到最隹熱設計，往往會增加設計成本，這就需要熱設計們進行權衡優(yōu)化，在熱設計前提出最優(yōu)的熱設計方案，并予以實施。

由于導熱系統(tǒng)復雜，不確定因素較多，因此，理論計算出的值與實際是有差距，可作為設計的指導，因此設計完成之后，必須進行熱測量和熱分析，以修正熱設計。

伴隨科學技X的發(fā)展，一些新的導熱技術不斷涌現(xiàn)，如：蒸發(fā)冷卻、熱管散熱、半導體致冷等。

本文通過電力電子設備熱設計分析，給予從事熱設計人員的一些引導和啟迪，伴隨新的熱設計技術的應用，熱設計也必將推動可再生能源的發(fā)展。


附錄：熱分析仿真軟件

⑴ Icepak：

Icepak是Fluent公司開發(fā)的專門用于電子設備熱設計的分析軟件。它基于CFD（計算流體動力學）求解器。具有自動化的非結構化網格生成能力和局部加密技術，支持四面體、五面體、六面體、柱體以及混合網格。

⑵ Flotherm：

Flotherm是英國Flomerics公司開發(fā)的特別針對電子設備的熱設計分析軟件。在全球擁有較廣泛的用戶。

上述軟件均有強大的可視化后處理功能及較強的建模求解能力。


參考文獻：
【1】電子設備的熱設計、熱分析,中國電子技術標準化研究所培訓中心
【2】電子設備熱設計講座,中國電子學會教育部,2007年9月,上海
【3】可靠性設計,中國電子學會,2008年5月,南京■