電力中的電子設備熱效應分析及應用

1 引言

在風(fēng)機變流器和光伏并網(wǎng)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(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計至關(guān)重要。本文通過(guò)對電力電子設備的熱分析，能很好解決以上問(wèn)題。

2熱分析的目的

利用數學(xué)手段及通過(guò)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)現產(chǎn)品的熱缺陷，從而改進(jìn)其設計，建立一個(gè)滿(mǎn)足可靠性要求的環(huán)境溫度控制系統。也就是設計一個(gè)冷卻系統，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?？刂齐娮赢a(chǎn)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(guò)最高允許溫度，確保電子產(chǎn)品在規定的熱環(huán)境下可靠工作。

3 熱設計的核心

設計一個(gè)冷卻系統，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，尤其對半導體器件最為敏感，如下圖所示，幾乎所有電子元器件參數都與溫度有關(guān)。

圖 1 電子元器件故障率與溫度的關(guān)系

4 熱設計的基本要求

電子產(chǎn)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(jìn)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(shí)進(jìn)行，滿(mǎn)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(shù)語(yǔ)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：?jiǎn)挝幻娣e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 溫度穩定：溫度變化率不超過(guò)每小時(shí)2℃時(shí)，稱(chēng)為溫度穩定。
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(dòng)紊流程度并改善散熱效果的裝置。
⑼ 熱沉：是一個(gè)無(wú)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(chēng)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(shí)，能量交換的現象。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(dòng)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(dòng)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則運動(dòng)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，W/m·℃
A——導體橫截面積，m2
△——傳熱路徑兩端溫差，℃
L——傳熱路徑長(cháng)度，m


⑵ 對流換熱是流體流過(guò)固體壁面時(shí)的一種能量交換現象，它與流體的宏觀(guān)運動(dòng)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(shí)，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，W/m2·℃
A——有效換熱面積，m2
△t——換熱表面與流體溫差，℃