電力中的電子設備熱效應分析及應用

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(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(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熱絕緣襯墊可以有效降低界面熱阻。使用導熱襯墊時(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根據器件功耗、環(huán)境溫度及允許最大結溫來(lái)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(cháng)度方向垂直安裝，以便于自然對流。

⑸散熱器應進(jìn)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(jīng)濟性要好。

10 熱設計、熱分析在風(fēng)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(guān)的方法和步驟。

首先根據主功率模塊（IGBT）的發(fā)熱量來(lái)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(gè)IGBT模塊的發(fā)熱量比較大，采用自然風(fēng)冷不能解決問(wèn)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(jìn)口ebm三相700W的大風(fēng)機。

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柜的前門(mén)，縮短風(fēng)道長(cháng)度利于散熱。

在主機柜正對著(zhù)模塊散熱器的部位開(kāi)六個(gè)長(cháng)方形的進(jìn)風(fēng)口，使每個(gè)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(mén)上開(kāi)孔正對著(zhù)六個(gè)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(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計成另外的一件漏斗，后部采用強迫風(fēng)冷的抽風(fēng)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(fēng)道，互不干擾，保證整個(gè)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 束 語(yǔ)

熱設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)及數學(xué)等學(xué)科，它是綜合學(xué)科的反映，一個(gè)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、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(jìn)行全方位的進(jìn)行熱設計，有一個(gè)方面考慮不周，可能導致產(chǎn)品熱設計不能滿(mǎn)足要求，進(jìn)而使產(chǎn)品可靠性不能滿(mǎn)足用戶(hù)要求。

熱設計〔控制〕是全過(guò)程的，從產(chǎn)品方案設計、設計與研制、生產(chǎn)與使用必須進(jìn)行全過(guò)程熱設計〔控制〕監控，只要有一個(gè)環(huán)節失控，就達不到熱設計預定的目標。

熱設計與技術(shù)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、安全性設計等既統一又相互制約，必須全面統籌考慮，優(yōu)化設計。

為了得到最隹熱設計，往往會(huì )增加設計成本，這就需要熱設計們進(jìn)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(shí)施。

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

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

本文通過(guò)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(shù)的應用，熱設計也必將推動(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(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)用于電子設備熱設計的分析軟件。它基于CFD（計算流體動(dòng)力學(xué)）求解器。具有自動(dòng)化的非結構化網(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(kāi)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(hù)。

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(shù)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(xué)會(huì )教育部,2007年9月,上海
【3】可靠性設計,中國電子學(xué)會(huì ),2008年5月,南京■