基于熱阻基礎(chǔ)上的電力電子系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)

楊穎

摘 要 隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子裝備逐漸更新?lián)Q代，并向著輕薄、短小且便于攜帶的方向發(fā)展。由于新設(shè)計(jì)的電子器件具有體積小、高互聯(lián)等特點(diǎn)，導(dǎo)致對(duì)微電子器件熱性能測(cè)試變得更加困難。電力電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)，就是對(duì)電子元件、組件等進(jìn)行溫升控制。鑒于此，文中從熱設(shè)計(jì)基本要件和傳遞方式入手，深入分析熱阻與熱設(shè)計(jì)必須考慮的因素，以直流-直流電源模塊熱設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行解說(shuō)確保整個(gè)系統(tǒng)具有優(yōu)異的散熱性能，且安全可靠。

【關(guān)鍵詞】熱阻 電力電子系統(tǒng) 熱設(shè)計(jì)

電力電子技術(shù)是綜合電子學(xué)、電力學(xué)、控制領(lǐng)域等學(xué)科的交叉學(xué)科。電力電子系統(tǒng)集成是電子技術(shù)領(lǐng)域大眾普遍關(guān)注的課題，電力電子技術(shù)必然成為未來(lái)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和方向，也在一定程度上決定電力電子技術(shù)未來(lái)的興衰命運(yùn)。此時(shí)，相對(duì)應(yīng)的冷卻技術(shù)也應(yīng)與之保持同步發(fā)展?fàn)顟B(tài)。但電力電子裝置的負(fù)載下與其應(yīng)用之前的矛盾更加尖銳，也會(huì)阻礙電力電子技術(shù)的發(fā)展。制定熱控制方案時(shí)，電子元器件最高允許溫度和功耗為主要設(shè)計(jì)參數(shù)，熱分析是展開(kāi)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，安全、可靠的熱分析是進(jìn)行熱評(píng)估的主要手段。熱分析應(yīng)貫穿熱設(shè)計(jì)始終，為修改并完善整個(gè)方案提供重要依據(jù)。文中以熱設(shè)計(jì)要求和傳遞方式為基礎(chǔ)，以直流-直流電源模塊熱設(shè)計(jì)實(shí)例介紹熱設(shè)計(jì)要點(diǎn)和安全性。

1 熱設(shè)計(jì)的基本要求及傳遞方式

1.1 熱設(shè)計(jì)基本要求

運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬手段，在設(shè)計(jì)初期獲得溫度分布數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)初期即可掌握產(chǎn)品存在的熱缺陷，并對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng)建一個(gè)滿足要求的環(huán)境溫度控制系統(tǒng)。換言之，就是設(shè)計(jì)相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)，由熱源至熱沉間提供低熱阻通道，確保熱量順利傳遞下去。同時(shí)，該設(shè)計(jì)能控制所有電子元器件溫度，確保其設(shè)備所處環(huán)境不超過(guò)最高允許值，保障電子產(chǎn)品在合理的熱環(huán)境下進(jìn)行工作。電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)要依據(jù)產(chǎn)品可靠性及其所處環(huán)境確定熱設(shè)計(jì)目標(biāo)，通常情況下，設(shè)計(jì)師根據(jù)熱設(shè)計(jì)目標(biāo)及設(shè)備重量、結(jié)果等展開(kāi)設(shè)計(jì)，主要包含選擇恰當(dāng)?shù)睦鋮s方法、安裝元器件、設(shè)置變壓器、模塊散熱結(jié)構(gòu)等。電力電子系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)應(yīng)與電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)相結(jié)合，保障滿足設(shè)備的可靠性要求。

1.2 熱傳遞主要方式

1.2.1 傳導(dǎo)散熱

傳導(dǎo)散熱是當(dāng)物體直接接觸時(shí)進(jìn)行能量交換的情況。必須注意，不同物體的導(dǎo)熱機(jī)理有所不同，非導(dǎo)電固體、液體利用物體內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的彈性波達(dá)到傳遞熱量的效果。在金屬材料中，主要利用自有電子運(yùn)動(dòng)傳遞能力。因此，導(dǎo)電性能較好的材料，其導(dǎo)熱性能佳。傳導(dǎo)散熱計(jì)算公式為：

Q=KA△t/L （1）

上述式子中，Q表示傳導(dǎo)散熱量，A表示導(dǎo)體橫截面積，L表示傳熱路徑長(zhǎng)度，△表示傳熱路徑兩端溫差。

1.2.2 輻射散熱

輻射散熱是利用電磁波傳遞能量的情況。熱量傳遞過(guò)程中，由熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠埽晃矬w吸收后變?yōu)闊崮堋彷椛錈o(wú)需介質(zhì)，在真空環(huán)境下熱輻射最強(qiáng)，因此，外層飛行器運(yùn)用輻射換熱非常有利。輻射散熱計(jì)算公式如下：

Q=··T4 （2）

其中，Q表示輻射散熱量，T表示絕對(duì)溫度。

1.2.3 對(duì)流換熱

對(duì)流換熱設(shè)置流體流過(guò)固體壁面發(fā)生的能量交換情況，它與流通宏觀運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，且與流體物理性質(zhì)及換熱面幾何形狀，設(shè)計(jì)位置等因素密切有關(guān)。流散熱量計(jì)算公式為：

Q=hA△t （3）

在上述式子中，Q表示對(duì)流散熱量，h表示換熱系數(shù)，A表示有效換熱面積，△t 表示換熱面積與流體溫差。

2 熱設(shè)計(jì)主要考慮因素

2.1 系選定的熱阻模式

電力電子系統(tǒng)模塊是發(fā)熱體與散熱體相互組合的形式，從熱管理層面來(lái)說(shuō)，更多的關(guān)注該系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)熱體與散熱體如何進(jìn)行熱傳遞。在各種熱傳遞方式中，熱阻表示某物體阻止熱傳遞的能力，熱阻是阻止熱量向下一個(gè)環(huán)節(jié)傳遞的重要設(shè)計(jì)。熱阻和電阻的概念有一定相似之處，如果某個(gè)物體傳熱功率為1W時(shí)，促使導(dǎo)熱路徑兩端存在溫差。

從進(jìn)行熱設(shè)計(jì)的方面來(lái)說(shuō)，其主要工作是將發(fā)熱體所產(chǎn)生的熱量借助相應(yīng)的散熱體傳遞至系統(tǒng)外環(huán)境中。發(fā)熱體主要零件有：電阻、變壓器、功率半導(dǎo)體等，發(fā)熱體內(nèi)部熱流抵抗稱作內(nèi)熱阻。模塊根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖，對(duì)各個(gè)發(fā)熱零組件實(shí)施構(gòu)裝設(shè)計(jì)。散熱體主要由致冷器、導(dǎo)熱膠等零件組成，在零組件空間內(nèi)的等效熱阻稱作外熱阻。電力電子系統(tǒng)熱阻模式如圖1。系統(tǒng)等效熱阻是發(fā)熱體總等效熱阻與不同散熱體等效熱阻串聯(lián)方式呈現(xiàn)的效果。

2.2 熱平衡驗(yàn)證

熱分析就是以能量守恒為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的熱平衡方程，借助有限元法計(jì)算不同節(jié)點(diǎn)溫度，并獲取其它熱物理參數(shù)。

熱分析就是以能量守恒為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的熱平衡方程，借助有限元法計(jì)算不同節(jié)點(diǎn)溫度，并獲取其它熱物理參數(shù)。熱分析主要包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)傳熱，從傳熱學(xué)理論角度來(lái)說(shuō)，熱分析根據(jù)能量守恒定律，

Q-W=▽U+▽KE+▽PE （4）

上述公式中，Q和W分別表示熱量、做工，▽U、▽KE表示系統(tǒng)內(nèi)能和動(dòng)能，▽PE 表示系統(tǒng)勢(shì)能，部分工程傳熱問(wèn)題中，一般考慮是否做工，如果W=0，則Q=▽U；對(duì)穩(wěn)態(tài)熱進(jìn)行分析，Q=▽U=0，表明流入和流出熱量處于相等狀態(tài)；瞬態(tài)熱分析如下：q=Du/dt，表示流入和流出熱傳遞數(shù)量與系統(tǒng)內(nèi)能為相等狀態(tài)。分驗(yàn)證傳熱計(jì)算的正確性就是判定熱量是否滿足熱平衡方程。熱平衡能力守恒程序部分代碼為：

POST1 //進(jìn)入后處理；

SET，LAST //讀取最后一步結(jié)果；

*GET，NMAX，NODE，NuM，MAX //獲取模型的最大節(jié)點(diǎn)號(hào)；

*GET，NUMBER，NODE，COUNT //獲取節(jié)點(diǎn)數(shù)；

*IF，NSEL（K_B），EQ，1，THEN //判定本節(jié)點(diǎn)是否選中；

*GET，S，NODE，K_B，ABS（HFLU） //若是將該節(jié)點(diǎn)的HFLU賦給變量S；

*SET，SUM，SUM+S

*ENDDO.

2.3 發(fā)熱零組件

挑選發(fā)熱零組件時(shí)，應(yīng)充分考慮各組件實(shí)施組裝是接觸外部結(jié)構(gòu)的散熱裝置，例如：散熱片、導(dǎo)熱膠等。必須注意，發(fā)熱零件或設(shè)計(jì)的模塊不同，在單位時(shí)間內(nèi)其散熱量也有所差異，導(dǎo)致各組件進(jìn)行構(gòu)裝時(shí)均存在一定距離，待系統(tǒng)電源有所穩(wěn)定后，熱傳導(dǎo)方可達(dá)到熱平衡效果。環(huán)境溫度不管是自然或強(qiáng)制對(duì)流，如果外部散熱系數(shù)增加，熱阻值變小。

3 分析直流-直流電源模塊熱設(shè)計(jì)

目前，直流-直流模塊電源廣泛用在傳輸、交換、數(shù)據(jù)等通信和監(jiān)控設(shè)備內(nèi)容，如何提出高質(zhì)量、可靠性高、低成本的電源來(lái)提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，成為每個(gè)業(yè)界人士重點(diǎn)關(guān)注的課題，為適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)電源性能提出的高要求，以熱阻為基礎(chǔ)進(jìn)行熱設(shè)計(jì)尤為重要。在對(duì)直-直流模塊展開(kāi)設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)秀設(shè)計(jì)者從低壓大電流、高效率、寬輸入范圍等要求內(nèi)，盡可能滿足客戶對(duì)電源效能的期望和需求。

3.1 選用分布式電源

分布式與集中式電源概念有所差異，前者進(jìn)行設(shè)計(jì)透過(guò)前端電源，提出由直流埠分配至不同直-直流模塊的電源管理方法，這種設(shè)計(jì)可有效分散熱源并對(duì)其實(shí)施優(yōu)化處理。設(shè)計(jì)者必須注意不要讓個(gè)別供電超過(guò)最大功率值，使用者要保障整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功率不超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定上限，檢驗(yàn)電源供應(yīng)器設(shè)計(jì)的建議功率值。

3.2 散熱問(wèn)題

想要移除直-直流模塊內(nèi)變壓器所產(chǎn)生的熱，主要使用風(fēng)扇冷卻或增設(shè)散熱片空氣對(duì)流等方法達(dá)到散熱的目的。不得不說(shuō)，上述兩種散熱方法均有一定限制。部分變壓器因受到鐵芯外露、材料等方面的影響，促使散熱片尺寸增加。此時(shí)，系統(tǒng)中發(fā)熱零件產(chǎn)生的熱能主要集中在某個(gè)區(qū)域內(nèi)也是困難所在。

4 結(jié)論

總之，熱設(shè)計(jì)射界物理學(xué)、化學(xué)、環(huán)境學(xué)、傳熱學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，一個(gè)優(yōu)秀的熱設(shè)計(jì)師必須掌握熱設(shè)計(jì)基本理論及相關(guān)知識(shí)，從系統(tǒng)、單元、模塊至元器件、材料等進(jìn)行綜合分析和設(shè)計(jì)，如果一個(gè)環(huán)節(jié)失控，就無(wú)法達(dá)到預(yù)想的設(shè)計(jì)效果。因此，文中根據(jù)熱阻對(duì)電力電子系統(tǒng)進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，以期為從事熱設(shè)計(jì)人員一些啟發(fā)和引導(dǎo)。

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作者單位

廣東省高州農(nóng)業(yè)學(xué)校 廣東省高州市 525200