大功率電子設備結構熱設計研究

鄧少文

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東廣州，510656）

1　大功率電子元器件及設備傳熱方式

若想對裝置中大功率器件的熱系統進行調節，必須明白裝置的傳熱形式。從熱傳遞的機理上分，可以分為：導熱、對流和輻射。

1.1　熱傳導

導熱又叫熱傳導，從微觀上分析，導熱是傳遞過程中僅僅依靠微觀粒子進行傳熱的過程。比如，物體中溫度高的部位向溫度低的部位傳遞，或者通過接觸使得溫度從高溫物體傳遞到低溫物體的過程就是導熱。

導熱的實質通過傅里葉定律來解釋，也就是傳熱過程中，單位時間通過給定截面的熱量正比于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積。

其中導熱系數是其中打的重要參數。導熱系數會受到多種因素的影響，主要受到物質的溫度和類型影響，除此之外還會受到環境的壓強、空氣密度等因素影響，同時對于相同的一種物質而言，導熱系數不確定的，因為導熱系數還會受到物質的狀態、組成等影響。通常導熱系數有以下特點：通常情況下，金屬的導熱性能比非金屬好；固體高于液體，液體高于氣體等。通過上述分析，導熱系數的不同點，因此現在不存在一套完備的公式來精確的計算物質的導熱系數。

1.2　對流換熱

對流換熱是流動的物質和其接觸的固體之間的傳熱過程。按照對流產生的原因分，分為自然對流和強制對流。自然對流是流體內部溫度不同存在熱流體和冷流體，進而導致流體內部密度分布不均，進而產生傳熱；強制對流是指外界環境施加給流體力使得流體產生對流的現象。

根據流體流動的性質不同，將流體分為層流和紊流。層流是流體流動過程中流速較慢的部分，表現出有規律的流動的現象。紊流是流體的流速達到一定速度之后，流體質點出現明顯的紊亂流動、相互摻雜的現象。流體的流動總是通過加速從層流向紊流變化。通常通過雷諾數Re判斷流體的狀態。

1.3　輻射換熱

輻射是指通過電磁波的形式向外界發射粒子的過程。以熱的形式向外發射粒子的過程叫做熱輻射。當物體的溫度高于絕對零度時，物體會源源不斷的向外輻射能量。此外，物體還會在該過程中不斷吸收外界物體發射到它自身上的輻射能，進而轉化為熱能，改變自身溫度。輻射換熱就是物體間相互輻射、吸收能量之后的結果。

2　大功率器件及設備結構熱設計的要求和準則

熱設計是指使用熱量的過程，使用設備中的控制溫度元件控制設備中所有物件的溫度，使得設備在當前的條件下，能在規定溫度范圍內正常工作。電子設備的熱設計及時要為所有的工作部件提供安全可靠的工作環境。綜上，在熱設計過程中需要控制各種設備的熱參數，達到高效冷卻的目的。

2.1　熱設計的要求

（1）熱設計在預定的溫度范圍內工作；（2）熱設計中的環境應在設備預設的環境內；（3）熱設計應該同時在冷卻系統的溫度范圍中；（4）熱設計需要符合國家標準。

2.2　熱設計的原則

（1）使用散熱量的多少控制設備的溫度。（2）使用適合的熱傳遞形式。一般情況下，熱傳遞能夠滿足設備對熱量的需求，在中等發熱中，通常使用對流冷卻的形式，所以通常可以使用傳導、對流等方法就可以達到冷卻的目的，不需要外加設備進行冷卻。（3）熱設計中應該重視設備的熱阻、能耗、溫度等參數，溫度是其中最重要的參數。（4）熱設計中的冷卻裝置應該簡潔高效，同時能夠適應設備工作環境。（5）熱設計中不應該忽視設備的大小、設備的功耗、涉筆的電路布置以及設備的實際操作環境等因素。（6）熱設計不是單獨開展的，必須和機械設計同時進行，全方位考慮影響因素。（7）熱設計的早前期設計中應從多方面對冷卻系統進行分析。（8）熱設計中應考慮各種器件的工作電壓、電流等。

3　大功率電子元器件及設備結構熱設計的主要參數計算

3.1　元器件總熱阻

要計算元器件的總熱阻，需要分別測量元器件的內熱阻、表面熱阻以及其外熱阻，然后求其總和。

以散熱翅片為例，對于元器件的內熱阻而言，其往往由于生產廠家以及生產工藝的不同而有所差異，但是生產廠家提供的內熱阻往往不是真正意義上的內熱阻，其和外部散熱翅片以及散熱方式沒有直接聯系。表面熱阻在元器件的封裝表面以及散熱翅片下表面間隙間的導熱接觸熱阻沒有準確測量時，就會產生20%的誤差，即使最好的實驗室測量也難以避免。對于外電阻而言，在設計過程中是能夠改變的數值，其阻值的大小與翅片材料的導熱系數、翅片效率、表面面積和表面對流換熱系數有關。

3.2　熱沉和熱流分配

熱沉指的是在傳熱過程中熱流量經傳熱途徑至最終的部位，他的大小受到流量大小的影響，可以將其假設成無限大的容器，可能是大氣、大地、大體積的水或宇宙，這取決于被冷卻設備所處的環境。對于熱流量的傳遞有許多的形式，通過多種路徑的傳遞，最終達到熱沉，要保證各個節點的溫度要保持在合理的范圍內。對于實際的案例而言，在設計的過程中要合理運用中間是散熱器，這也是設備設計的一部分。例如，在設計中可以對設備的底座、外殼或機柜、冷板、肋片式散熱器或設備中的空氣、液體等冷卻劑進行比較和選擇。

3.3　理論耗散功耗

對于電子器件而言，熱量的產生是電器器件在工作過程中難以避免的，而在電子器件工作過程中，當電流經過半導體或者無源器件的時候，會有一部分的功率會以熱能的形式散失，這就是理論耗能。其耗能的功率可以用以下公式進行計算：dmP VI=

如果考量電壓、電流在實際工作中隨時間變化，需要計算平均耗散功率，可以按照以下公式進行計算：

3.4　電感和電容

雖然，在電感電路中不會發生電量的損耗，但是在工作過程中的儲能以及釋能過程中，會出現能量的互換，這主要發生在電感和電源之間，這種能量互換的規模通常為無功功率PQ。該元件能夠積累電荷、儲存電廠能量，其由兩個金屬板極并在其間夾有電絕緣介質構成。

電容器不會消耗電源的能量，在工作過程中只會與電源作周期性能量互換。

3.5　冷卻方法的選擇

在溫升達到40度的時候，需要根據熱流的密度以及體積功率密度值進行冷卻方法的選擇，使其達到溫升的要求。選擇過程可以根據以下圖片總所示的關系進行選擇，但是這種方法僅僅能夠適用于溫升要求不高設備的冷卻。常見的傳熱方式是金屬導熱，因為其具有熱路容易控制的優勢，所以在實際應用中備受歡迎。但是，對于輻射換熱由于其需要較高的溫差，傳熱的路徑難以控制，在應用中有諸多限制。對流換熱也有著自己的局限，在換熱過程總需要較大的面積，要想安裝密度較高的設備內部，往往難以完成。

圖1　冷卻方法關系圖

4　總結

要進行大功率電子元器件以及設備結構的熱設計，首先要根據電器元器件以及設備的傳熱方式進行分析，考量其電器元器件的熱環境等因素。在此技術上，進行相關參數的計算，分別對總熱阻，熱沉和熱流分配，理論耗散功耗以及電感和電容等參數進行計算，最終選定合適的冷卻方法來完成大功率電子元器件及設備結構的熱設計。