電力電子設(shè)備熱設(shè)計的分析及應(yīng)用

1 引言

在風(fēng)機變流器和光伏并網(wǎng)逆變器的整機設(shè)計中，主功率模塊、電抗器及電阻的熱設(shè)計是非常關(guān)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(shè)計至關(guān)重要。本文通過對電力電子設(shè)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(xué)手段及通過計算機模擬，在設(shè)計階段獲得溫度分布。在設(shè)計初期就能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的熱缺陷，從而改進其設(shè)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(shè)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(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在設(shè)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(chǎn)品在規(guī)定的熱環(huán)境下可靠工作。

3 熱設(shè)計的核心

設(shè)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(chǎn)品可靠姓影響極大，尤其對半導(dǎo)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(guān)。

圖 1 電子元器件故障率與溫度的關(guān)系

4 熱設(shè)計的基本要求

電子產(chǎn)品熱設(shè)計應(yīng)首先根據(jù)設(shè)備的可靠性指標(biāo)及設(shè)備所處的環(huán)境條件確定熱設(shè)計目標(biāo)，熱設(shè)計目標(biāo)一般為設(shè)備內(nèi)部元器件允許的最高溫度，根據(jù)熱設(shè)計目標(biāo)及設(shè)備的結(jié)構(gòu)、體積、重量等要求進行熱設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)計和機箱散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

電子設(shè)備的熱設(shè)計要與電路設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計同時進行，滿足設(shè)備可靠性的要求。

熱設(shè)計與維修性設(shè)計相結(jié)合，可提高設(shè)備的可維修性。

5 熱設(shè)計中術(shù)語的定義
⑴ 熱特性：設(shè)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(nèi)熱阻：元器件內(nèi)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(dǎo)、對流和熱輻射三種。

⑴ 傳導(dǎo)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(dǎo)熱機理各不相同，在非導(dǎo)電固體和液體中，主要依靠物體內(nèi)部分子運動的彈性波在傳遞熱量。在金屬導(dǎo)體中，主要依靠自由電子的運動傳遞能量。因此，導(dǎo)電性能好的材料，其導(dǎo)熱性能也好，氣體的導(dǎo)熱主要依靠分子的不規(guī)則運動傳遞能量。傳導(dǎo)散熱量計算如下：
Q=KA△t/L （1）
式中：
Q——傳導(dǎo)散熱量，W
K——導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃
A——導(dǎo)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(guān)，而且與流體的物理性質(zhì)以及換熱面的幾何形狀，放置位置等因素有關(guān)。在具體研究或計算對流換熱時，應(yīng)注意計算用的準(zhǔn)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(zhuǎn)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(zhì)，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(shè)備熱傳遞的三種方式如圖2所示。

圖2 電子設(shè)備熱傳遞方式

7 熱設(shè)計應(yīng)考慮的因素
⑴ 工作過程中，功率元件耗散的熱量。
⑵ 設(shè)備周圍的工作環(huán)境，通過導(dǎo)熱、對流和輻射的形式，將熱量傳遞給電子設(shè)備。
⑶ 設(shè)備與大氣環(huán)境產(chǎn)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(shè)計的詳細(xì)步驟
⑴確定設(shè)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(guān)鍵發(fā)熱元器件進行應(yīng)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(shè)備的組裝形式，計算熱流密度。
⑸由器件內(nèi)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(jù)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(shù)。
⑻選定散熱方案。

9 熱設(shè)計分析

9．1主要電子元器件熱設(shè)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(guān)，一般通過本身的輻射、對流和引出線兩端的金屬熱傳導(dǎo)來散熱，在正常環(huán)境溫度下，經(jīng)試驗得知，對功率小于0.5W的炭膜電阻，通過傳導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)是其內(nèi)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(xì)加工，保證良好接觸，使其熱阻最小，同時在底板上應(yīng)開通風(fēng)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(shè)計

⑴模塊熱設(shè)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?qū)к壍谋砻鏈囟瓤刂圃?℃～60℃。模塊的熱設(shè)計有兩類問題：根據(jù)模塊內(nèi)部要求進行設(shè)計，包括界面溫度、功耗和元器件的許用溫度等；根據(jù)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(shè)計。

⑵ 模塊內(nèi)部的熱設(shè)計。為滿足電子模塊的可靠性要求，設(shè)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(guān)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(dāng)散熱片和導(dǎo)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(yīng)低于或等于元器件的瞬態(tài)臨界溫度。

9．3整機散熱設(shè)計

⑴ 確定整機的熱耗和分布。

⑵ 根據(jù)整機結(jié)構(gòu)尺寸初步確定散熱設(shè)計方案。

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

⑷ 針對分析結(jié)果可利用熱分析軟件進一步驗證。

⑸ 對散熱方案進行調(diào)整進而最后確定。

9．4 機殼的熱設(shè)計

電子設(shè)備的機殼是接受設(shè)備內(nèi)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(shè)計在采用自然散熱和一些密閉式的電子設(shè)備中顯得格外重要。試驗表明，不同結(jié)構(gòu)形式和涂覆處理的機殼散熱效果差異較大。機殼熱設(shè)計應(yīng)注意下列問題：

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

（2）機殼內(nèi)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(nèi)外表面高黑度時，內(nèi)部平均降溫20℃左右，而兩側(cè)開百葉窗時（內(nèi)外表面光亮），其溫度只降8℃左右；

（3）機殼內(nèi)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(nèi)外表面黑化的基礎(chǔ)上，合理地改進通風(fēng)結(jié)構(gòu)（如頂板、底板、左右兩側(cè)板開通風(fēng)孔等），加強空氣對流，可以明顯地降低設(shè)備的內(nèi)部溫度環(huán)境；

（5）通風(fēng)口的位置應(yīng)注意氣流短路而影響散熱效果，通風(fēng)孔的進出口應(yīng)開在溫差最大的兩處，進風(fēng)口要低，出風(fēng)口要高。風(fēng)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(fēng)孔面積的計算至關(guān)重要，圖3示出了通風(fēng)孔面積與散熱量的關(guān)系，可供設(shè)計通風(fēng)口時作依據(jù)，亦可根據(jù)設(shè)備需要由通風(fēng)口的散熱量用下式計算通風(fēng)孔的面積。
S0=Q/7.4×10-5·H · △t1. 5 （4）
式中：
S0——進風(fēng)口或出風(fēng)口的總面積〔cm2〕；
Q——通風(fēng)孔自然散熱的熱量〔設(shè)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(fēng)口的高度差〔cm〕；
△t ==t2-t1——設(shè)備內(nèi)部空氣溫度t2與外部空氣溫度t1之差〔0C〕。

（7）通風(fēng)口的結(jié)構(gòu)形式很多，有金屬網(wǎng)，百葉窗等等，設(shè)計時要根據(jù)散熱需要，既要使其結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱阻，加強內(nèi)部空氣對流（如風(fēng)機）增加機殼表面積（設(shè)散熱筋片）和機殼表面黑度等來降低內(nèi)部環(huán)境溫度。

圖3 自然散熱時通風(fēng)孔面積和散熱量的關(guān)系

9．5強迫風(fēng)冷設(shè)計

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

整機強迫風(fēng)冷系統(tǒng)有兩種形式：鼓風(fēng)冷卻和抽風(fēng)冷卻。

鼓風(fēng)冷卻的特點是風(fēng)壓大，風(fēng)量比較集中。適用于單元內(nèi)熱量分布不均勻，風(fēng)阻較大而元器件較多的情況。

抽風(fēng)冷卻的特點是風(fēng)量大，風(fēng)壓小，風(fēng)量分布較均勻，在強迫風(fēng)冷中應(yīng)用更廣泛。

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

9．6 散熱器的熱設(shè)計

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)計的任務(wù)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(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(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)使肋片沿其長度方向垂直安裝，以便于自然對流。

⑸散熱器應(yīng)進行表面處理，以增強輻射換熱。

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)濟性要好。

10 熱設(shè)計、熱分析在風(fēng)機變流器的應(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，所以采用強迫風(fēng)冷抽風(fēng)冷卻的形式。風(fēng)機選用德國進口ebm三相700W的大風(fēng)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(fēng)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(fēng)口，使每個模塊都形成各自獨立的風(fēng)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(fēng)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(shè)計成另外的一件漏斗，后部采用強迫風(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(fēng)道的圖片

11 結(jié) 束 語

熱設(shè)計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，一個好的熱設(shè)計師必須掌握熱設(shè)計的基本理論，及相應(yīng)的知識。

熱設(shè)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(shè)計，各有各的熱設(shè)計特殊性，必須進行全方位的進行熱設(shè)計，有一個方面考慮不周，可能導(dǎo)致產(chǎn)品熱設(shè)計不能滿足要求，進而使產(chǎn)品可靠性不能滿足用戶要求。

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

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

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

由于導(dǎo)熱系統(tǒng)復(fù)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(shè)計的指導(dǎo)，因此設(shè)計完成之后，必須進行熱測量和熱分析，以修正熱設(shè)計。

伴隨科學(xué)技X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)計分析，給予從事熱設(shè)計人員的一些引導(dǎo)和啟迪，伴隨新的熱設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，熱設(shè)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(shè)備熱設(shè)計的分析軟件。它基于CFD（計算流體動力學(xué)）求解器。具有自動化的非結(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Flomerics公司開發(fā)的特別針對電子設(shè)備的熱設(shè)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：
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