一種通用散熱結構的參數計算及程序設計

汪洋 張偉 陳世昌

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

隨著半導體集成技術和高壓大電流的電力電子器件的迅速發展，相關的電力電子設備越來越小型化和輕量化。然而，隨著功率密度的提高，功率器件的發熱直接影響電子設備的可靠性和工作性能[1]。為了控制功率器件的溫升，相應的散熱結構設計成為電氣結構設計的關鍵性問題[2]。

在眾多散熱結構中，強制風冷的散熱效果要遠遠好于自然風冷，復雜性大大低于油冷和水冷，可靠性也比較高，因此是電力電子裝置的主要散熱結構。通常情況下，選用散熱面積較大的散熱器和風量較大的風機可以提高散熱效果，但散熱面積的增加和風機風量的提高均受到散熱器的加工工藝、裝置體積、重量及其噪音指標等限制[3]。

本文針對電力電子裝置中最常見的散熱結構，分析計算功率部件、風扇、散熱器之間的關系，并編寫對應算法的程序來確定選用風扇的參數、散熱器的型號和長度，使該類型的散熱結構的設計大大簡化。

1 強制風冷散熱結構設計

圖1 散熱結構示意圖

電力電子裝置中最常用的強制風冷散熱結構的結構簡化如圖 1。功率部件緊密固定在鋁或銅合金型材散熱器上，散熱器截面如圖2。工作時，風扇將冷空氣吹入散熱器肋片間的空隙組成若干個小的風道，與散熱器表面進行熱交換，達到冷卻功率部件的目的。

對風扇廠家，一般均以60℃作為標定風扇的平均無故障時間的條件，如果風扇應用的環境高于60℃，則嚴重影響風扇壽命。如果進入風扇的空氣溫度高于60℃，則考慮選用高溫風機以保證使用壽命或改用吹風方式的方法。對照圖1中的兩種安裝方式，為確保產品的可靠性，在該類型的散熱結構中，在安裝空間能夠滿足的情況下，b吹風方式較為合理。

圖2 散熱器截面參數示意圖

在電力電子裝置中，常用的功率部件有雙極型晶體管（IGBT），功率MOSFET，功率二極管等[4]。在設計時，功率部件的最大功率損耗即為散熱結構的散熱功率P。

2 風扇參數的選擇

在如圖1所示的散熱結構中，功率部件的散熱途徑主要有以下三種：

1） 散熱器肋片間空隙形成的風道對流換熱；

2） 功率部件及其散熱器基板及其兩側表面的自然對流；

3） 功率部件及其散熱器基板及其兩側表面的輻射散熱；

由于散熱途徑1的散熱量遠大于散熱途徑2和散熱途徑 3，所以，本文以功率部件的散熱均以散熱器肋片間形成的風道的對流換熱為計算依據。

定性溫度見下式（其中ts為功率部件的允許的最大殼溫）。散熱結構的進風口溫度為t1，出風口空氣的溫度為t2（一般來說，空氣的溫差t2-t1為10℃～15℃）。

在計算中，以tf來選擇對應溫度下的空氣物性參數ν，μ，ρ， cp，Pr，依據熱平衡方程，計算風扇的理論最大風量Qf。

按經驗，選取1.5～2倍的裕量選擇風扇的實際最大風量，類型和風扇的數量。

3 散熱器參數的計算

由于散熱器的形狀大小，重量常常受限于電力電子裝置中各種不同的設計要求，因此，選擇滿足要求的散熱器是散熱器參數選擇的目標[5]。

在選擇散熱器的時候，我們通常選擇通用型散熱器，其截面如圖 2。通過手冊可查得散熱器肋片的數量n，肋片高度a，肋片間距b，和肋片的厚度c，散熱器基板厚度t，當散熱結構工作時，即為這n+1個肋片間的空隙形成的狹長風道進行冷空氣與散熱器肋片表面的對流換熱。每個小的風道當量直徑

每個風道的風速

計算雷諾數來確定流體的狀態（Re<1800為層流，Re>105為湍流）

在Re<1800冷空氣為層流換熱時，考爾本數按下式計算

換熱系數為

參照選取散熱器的手冊，查其熱傳導率λ，肋片效率為

依據熱阻計算公式

上式忽略輻射換熱熱阻R輻，其中為功率部件與散熱器接觸的當量直徑）， A = 2(n + 1)al散，δ=t

通過式(10)和式(11)，可計算出散熱器實際需要的最小長度l散。依據計算的散熱器型號，長度來確定散熱器的安裝方式是否能滿足電氣設計的相關的性能要求，如果不能滿足要求，則需重新選擇散熱器型號，直至滿足要求為止。

4 散熱器合理性分析

為提高散熱器的散熱效果，散熱器的選擇應注意以下問題：

1）為保證結構的緊湊性，散熱結構應滿足電氣結構總體設計的體積、重量和外形要求；

2）在實際的散熱過程中，散熱器基板的溫度分布是不均勻的，功率部件安裝位置處的溫度要高于其他位置，出風口處的溫度高于進風口處的溫度，為保證功率部件在散熱器基板的合理分布，保證溫度的均勻分布，防止功率部件之間的熱耦合，需在計算結果中選用合適寬度和長度的散熱器，并合理布置散熱部件；

3）雖然增加散熱器肋片的高度和數量可以增加散熱結構的散熱效率，但肋片數量的增加會增加風道的風阻，使散熱效果反而降低，而肋板高度增加到一定程度后，散熱效果提高不明顯。因此，不可以無限量增加散熱器肋板的數量和高度。

5 程序化設計

通過以上對散熱結構的分析，得到對應的參數計算方法，編寫對應的流程圖見圖3。

利用VB6.0人機界面友好的特點，編寫相應的程序，整個程序界面簡潔，容易操作。該程序主要通過圖片提示用戶輸入相應信息，通過文本框、按鈕等各種控件來接收用戶輸入的信息。程序按流程完成散熱結構各步的計算，最后將計算結果集中顯示。

圖3 散熱結構程序流程圖

6 結語

本文在分析散熱結構的基礎上，得出功率部件熱損耗、風扇、散熱器之間的計算關系，利用VB6.0編寫程序將計算方法程序化，能夠快速準確的計算風扇，散熱器的相關參數，為選型設計提供依據。通過該方法在實際過程中的使用，得出以下結論：

1）采用該方法設計的散熱結構進行溫升實驗，實驗結果滿足設計要求；

2）該程序在散熱結構設計時避免了大量重復計算，從而大大提高了設計的準確性和效率；

3）通過程序可對比優化散熱結構的設計，更好的滿足電力電子裝置內部的空間、工藝、重量、成本的要求。

[1]楊旭, 馬靜等. 電力電子裝置強制風冷散熱方式的研究[J]. 電力電子技術, 2000, 4(8): 36~38.

[2]胡建輝, 李錦庚等. 變頻器中的IGBT模塊損耗計算及散熱系統設計[J]. 電工技術學報, 2009, 24 (3):159~163.

[3]劉一兵. 功率器件散熱技術的研究[J]. 湖南工業大學學報, 2007, 21(4):77~79.

[4]Muhammad H.Rashid. 陳建業等譯. 電力電子技術手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 2004.

[5]于慶禎, 李鋒. 電氣設備機械結構設計手冊[M].北京: 機械工業出版社, 2005.