基于功率電子電路的散熱分析與電磁兼容的研究

【關(guān)鍵詞】功率電子電路；散熱分析；電磁兼容；多通道散熱；電磁屏蔽

引言

隨著功率電子技術(shù)的快速發(fā)展，電路集成度不斷提高，器件發(fā)熱密度隨之增大，散熱問題逐漸成為制約功率電子電路發(fā)展的關(guān)鍵因素。同時，開關(guān)頻率的提升導(dǎo)致電磁干擾加劇，對周邊電子設(shè)備產(chǎn)生不利影響。針對這些問題，深入研究功率電子電路的散熱特性和電磁兼容機理具有重要意義。通過建立熱分析模型，優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用新型散熱材料，提高散熱效率，并結(jié)合電磁場仿真分析，從干擾源、傳播路徑和敏感設(shè)備三個層面，系統(tǒng)研究電磁兼容問題，提出相應(yīng)的抑制和防護方案，為功率電子電路的可靠運行提供技術(shù)支持。

一、功率電子電路的散熱機理與分析

（一）功率電子器件熱損耗特性

功率電子器件在工作過程中產(chǎn)生的熱損耗主要來源于導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗由器件內(nèi)部電阻與通過電流共同決定，功率器件在導(dǎo)通狀態(tài)下表現(xiàn)出歐姆特性，電流通過內(nèi)部等效電阻產(chǎn)生焦耳熱；開關(guān)損耗則發(fā)生在器件開關(guān)過渡過程中，由于電壓與電流的交疊效應(yīng)導(dǎo)致瞬時功率損耗。以絕緣柵雙極晶體管（Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT）為例，其關(guān)斷過程中尾電流與電壓重疊時間達(dá)到400 ns，導(dǎo)致單次開關(guān)損耗顯著增加，器件結(jié)溫隨著開關(guān)頻率提高而升高，當(dāng)開關(guān)頻率達(dá)到20 kHz時，結(jié)溫可達(dá)125℃。對于大功率變流器，多個功率器件并聯(lián)運行時，發(fā)熱密度更為集中，散熱壓力隨之增大，熱損耗分布具有明顯的空間非均勻性，芯片中心區(qū)域溫度往往高于邊緣區(qū)域，溫度梯度可達(dá)每毫米20℃，功率器件長期在高溫環(huán)境下工作，將加速器件老化，降低使用壽命，因此準(zhǔn)確掌握功率電子器件的熱損耗特性，對于散熱系統(tǒng)設(shè)計和可靠性評估具有重要意義[1]。

（二）散熱傳遞機制研究

散熱傳遞機制包括熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種基本方式，熱傳導(dǎo)是固體內(nèi)部熱量傳遞的主要方式。其傳熱效率取決于材料的導(dǎo)熱系數(shù)。銅、鋁等金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)較高，常用作散熱基板和散熱器。熱對流發(fā)生在固體表面與流體之間，強制對流的散熱效果優(yōu)于自然對流，散熱器表面的翅片結(jié)構(gòu)可增大與空氣的接觸面積，提高對流換熱效率。熱輻射則通過電磁波形式向外傳遞熱量，在高溫條件下占據(jù)重要地位，功率器件產(chǎn)生的熱量需經(jīng)過芯片、焊層、基板等多層結(jié)構(gòu)傳遞至散熱器，各界面間的熱阻影響傳熱效率。導(dǎo)熱硅脂等導(dǎo)熱填充材料可降低接觸熱阻，改善界面?zhèn)鳠嵝阅埽嵯到y(tǒng)的總體熱阻由各部分熱阻串并聯(lián)組成，其中芯片至散熱器的熱阻路徑對溫升影響最大，在自然對流條件下，散熱器至環(huán)境的對流換熱系數(shù)約為15 W/（m2·K），通過合理設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)，優(yōu)化傳熱路徑，可有效降低器件結(jié)溫，保障系統(tǒng)可靠運行。

二、散熱優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)

（一）散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

功率電子電路散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計需要在散熱效率、空間利用率和經(jīng)濟性之間尋求最佳平衡點。傳統(tǒng)平板式散熱器雖然具有加工簡單、成本低廉的特點，但其散熱面積受限，制約了散熱性能的提升。針狀散熱器通過垂直布置的細(xì)長翅片提高了與空氣的接觸面積，其翅片的高度、厚度和間距直接影響散熱效果。叉指狀散熱器采用特殊的交錯排列方式，使氣流在流經(jīng)翅片時產(chǎn)生強烈的湍流效應(yīng)，顯著增強了對流換熱系數(shù)。蜂窩狀散熱器則采用六邊形通道結(jié)構(gòu)，在單位體積內(nèi)獲得最大的散熱面積，但其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對加工精度和工藝水平提出了較高要求。

針對大功率密度應(yīng)用場景，先進(jìn)散熱結(jié)構(gòu)的開發(fā)顯得尤為重要。微通道散熱結(jié)構(gòu)通過在基板內(nèi)部加工微細(xì)流道，實現(xiàn)了傳熱面積的數(shù)量級提升，其流道的橫截面積通常在0.1 mm2至1 mm2范圍內(nèi)。水冷散熱結(jié)構(gòu)利用水的比熱容大、導(dǎo)熱系數(shù)高等特點，可以實現(xiàn)極高的散熱效率，特別適用于高功率密度場合。熱管散熱器內(nèi)部工質(zhì)的相變過程提供了額外的傳熱通道，其等效導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)純銅的數(shù)十倍。復(fù)合散熱結(jié)構(gòu)通過組合不同散熱方式的優(yōu)勢，如將熱管嵌入翅片基座，或?qū)⑽⑼ǖ琅c相變材料結(jié)合，可以在特定應(yīng)用條件下發(fā)揮最佳散熱效果。各類散熱結(jié)構(gòu)的選擇需要充分考慮實際應(yīng)用環(huán)境、安裝空間、散熱要求等多個因素，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和仿真驗證，最終確定最適合的散熱方案[2]。

（二）散熱材料選型分析

散熱材料的選擇對散熱系統(tǒng)性能具有重要影響。銅材料導(dǎo)熱系數(shù)為380 W/（m·K），散熱性能優(yōu)異，但密度大、成本高，鋁材料導(dǎo)熱系數(shù)為230 W/（m·K），性價比較高，是散熱器常用材料，石墨烯材料面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)3 000 W/（m·K），但各向異性明顯，碳化硅陶瓷具有高導(dǎo)熱系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)的特點，適用于大功率器件，氮化鋁陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)為170 W/（m·K），絕緣性能好。金剛石銅復(fù)合材料結(jié)合了銅和金剛石的優(yōu)點，導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)600 W/（m·K），導(dǎo)熱硅脂用于填充接觸界面，導(dǎo)熱系數(shù)在2 W/（m·K）至8 W/（m·K）之間，相變材料在溫度變化過程中吸收或釋放潛熱，可降低溫度波動，導(dǎo)熱凝膠具有良好的界面接觸性能，但價格較高，根據(jù)散熱需求和成本預(yù)算，合理選擇散熱材料組合，可實現(xiàn)最佳散熱效果。

（三）熱仿真與溫度場分布

熱仿真技術(shù)在功率電子電路散熱系統(tǒng)設(shè)計中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其核心在于通過數(shù)值計算方法準(zhǔn)確預(yù)測溫度場分布。在仿真建模階段，需要建立包含功率器件、基板、導(dǎo)熱界面材料和散熱器等完整的三維幾何模型。材料屬性設(shè)置方面不僅要考慮導(dǎo)熱系數(shù)還需要包含密度、比熱容等熱物理參數(shù)。邊界條件的設(shè)定尤為關(guān)鍵，包括環(huán)境溫度、對流換熱系數(shù)以及熱源功率密度分布等。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)可以在保證計算精度的同時提高求解效率。在瞬態(tài)熱分析中，時間步長的選擇需要權(quán)衡計算效率和結(jié)果準(zhǔn)確性，過大的時間步長可能導(dǎo)致重要瞬態(tài)特征的丟失。

溫度場分布仿真結(jié)果的后處理和分析同樣重要，需要重點關(guān)注熱點區(qū)域的溫度分布和熱流密度。通過溫度云圖可以直觀顯示熱量傳遞路徑，識別系統(tǒng)中的熱瓶頸位置。對于大功率變流器，多器件布局產(chǎn)生的熱耦合效應(yīng)需要特別關(guān)注，可以通過溫度剖面圖分析熱量擴散規(guī)律。散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，翅片參數(shù)（如高度、厚度、間距等）會影響氣流分布和換熱效果，需要通過參數(shù)化建模進(jìn)行優(yōu)化。在強制風(fēng)冷系統(tǒng)中，計算流體動力學(xué)分析可以模擬不同進(jìn)風(fēng)速度和方向?qū)囟葓龅挠绊憽７抡娼Y(jié)果的驗證通常需要與紅外熱像和熱電偶測溫數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，評估仿真模型的準(zhǔn)確性并對模型參數(shù)進(jìn)行必要的修正。

（四）散熱系統(tǒng)集成設(shè)計

散熱系統(tǒng)集成設(shè)計需要統(tǒng)籌考慮電氣性能、機械結(jié)構(gòu)和散熱效果。功率器件與散熱器之間需采用絕緣墊片實現(xiàn)電氣隔離，同時保證良好的導(dǎo)熱性能。器件安裝壓力對接觸熱阻有重要影響，需通過螺栓緊固力矩控制。散熱器安裝方向應(yīng)考慮自然對流的煙囪效應(yīng)，豎直安裝較水平安裝散熱效果更好。風(fēng)扇選型需匹配散熱器的風(fēng)阻特性，提供足夠的冷卻風(fēng)量，進(jìn)出風(fēng)道的布置應(yīng)避免氣流短路和死區(qū)。對于水冷系統(tǒng)，冷卻液流道設(shè)計需保證均勻分布，避免局部過熱。管路布置應(yīng)防止氣泡聚集并便于充液排氣，多器件布局時應(yīng)考慮熱量疊加效應(yīng)，適當(dāng)增加間距?？刂齐娐放c功率電路的布局需考慮溫度干擾，采取必要的隔熱措施[3]。

（五）散熱性能測試驗證

散熱性能測試是驗證設(shè)計方案有效性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。紅外熱像儀可實時監(jiān)測表面溫度分布，分辨率可達(dá)0.1℃，熱電偶測溫具有較高的準(zhǔn)確度，適用于關(guān)鍵點溫度監(jiān)測。散熱器表面設(shè)置多個測溫點，可獲得溫度梯度分布，風(fēng)速傳感器用于測量冷卻風(fēng)速，驗證流場分布，壓力傳感器監(jiān)測水冷系統(tǒng)的流阻特性。功率分析儀測量器件損耗，建立溫升與損耗的關(guān)系。環(huán)境溫度和濕度等參數(shù)需同步記錄，長期可靠性測試考察散熱性能的穩(wěn)定性，包括溫度循環(huán)試驗和高溫老化試驗。測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可評估散熱系統(tǒng)的性能指標(biāo)，為設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。測試結(jié)果與仿真分析進(jìn)行對比，驗證設(shè)計模型的準(zhǔn)確性，通過系統(tǒng)測試驗證，確保散熱系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

三、電磁兼容問題分析與解決

（一）電磁干擾源特征分析

功率電子電路中的電磁干擾源主要來自高頻開關(guān)動作，在IGBT開關(guān)過程中，電壓變化率達(dá)到5 kV/μs，電流變化率達(dá)到2 kA/μs，產(chǎn)生高頻電磁輻射，開關(guān)振蕩會在諧振電路中產(chǎn)生高次諧波分量。寄生電感與寄生電容之間的能量振蕩導(dǎo)致電磁噪聲，共模電流通過雜散電容耦合到接地系統(tǒng)，形成傳導(dǎo)干擾，差模干擾則由電流環(huán)路產(chǎn)生的磁場輻射造成，電源線和信號線上的電壓尖峰會影響相鄰電路，功率器件布局不合理會增大寄生參數(shù)，加劇電磁干擾，驅(qū)動電路和控制電路也是潛在的干擾源，理解電磁干擾源的特征和傳播機制，是制定電磁兼容方案的基礎(chǔ)[4]。

（二）電磁場分布仿真研究

電磁場仿真采用三維有限元方法，分析電磁場的空間分布特性，建立電磁模型時需考慮導(dǎo)體、絕緣體和磁性材料的電磁參數(shù)，邊界條件設(shè)置影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。時域分析可反映瞬態(tài)電磁場變化，頻域分析則關(guān)注諧波特性，電場強度和磁場強度的分布云圖直觀顯示干擾源的影響范圍，電流密度分布反映趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，阻抗特性曲線用于評估濾波和屏蔽效果，參數(shù)掃描分析研究結(jié)構(gòu)尺寸對電磁場的影響，通過后處理可獲得輻射場強、屏蔽效能等指標(biāo)，仿真結(jié)果為電磁兼容設(shè)計提供理論依據(jù)，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和器件選型。

（三）電磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計

電磁屏蔽結(jié)構(gòu)采用金屬外殼阻擋電磁波傳播，屏蔽材料選用導(dǎo)電性能良好的鋁合金或鍍鋅鋼板，殼體接縫處需采用導(dǎo)電密封條，防止電磁泄漏，通風(fēng)孔的尺寸應(yīng)小于電磁波波長的四分之一，電纜穿越孔需安裝屏蔽接頭。多層屏蔽結(jié)構(gòu)可提供更高的屏蔽效能，磁屏蔽采用高磁導(dǎo)率材料，衰減磁場強度，局部屏蔽針對特定干擾源進(jìn)行防護，柔性屏蔽材料便于安裝，但效果低于剛性屏蔽，表面處理如鍍鋅、鍍鉻可改善導(dǎo)電性能，屏蔽結(jié)構(gòu)的接地連接需可靠，避免形成天線效應(yīng)，根據(jù)頻率特性選擇適當(dāng)?shù)钠帘畏桨?，實現(xiàn)良好的電磁兼容性能[5]。

（四）濾波電路優(yōu)化設(shè)計

濾波電路在功率電子系統(tǒng)中扮演著抑制傳導(dǎo)干擾的重要角色，其設(shè)計需要綜合考慮共模和差模兩種干擾的抑制效果。共模濾波采用磁環(huán)繞制的共模電感，配合Y電容構(gòu)成完整的濾波網(wǎng)絡(luò)，能夠有效抑制高頻共模干擾；差模濾波則通過在電源線路中串聯(lián)差模電感并在線間并聯(lián)X電容來實現(xiàn)，這種配置可以顯著衰減差模噪聲。在實際應(yīng)用中，電感電容濾波器的截止頻率應(yīng)當(dāng)合理設(shè)置在開關(guān)頻率以下，同時還需要充分考慮磁芯材料的飽和特性和損耗特性，濾波器的物理布局同樣至關(guān)重要，應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離潛在的干擾源以避免不必要的磁場耦合。當(dāng)單級濾波無法滿足要求時，可以采用多級濾波方案以獲得更理想的衰減效果。濾波電路的輸入輸出端還需要考慮阻抗匹配問題，以防止產(chǎn)生反射波對系統(tǒng)造成二次干擾。

（五）接地系統(tǒng)布局設(shè)計

接地系統(tǒng)布局在電磁兼容設(shè)計中占據(jù)核心地位，其設(shè)計優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)的電磁兼容性能，采用大面積接地平面不僅可以有效降低地線阻抗，還能顯著減少共模干擾的產(chǎn)生。在具體實施中，電源接地和信號接地的分開布置顯得尤為重要，這種布局方式可以從根本上避免不同類型信號之間的相互干擾。控制電路采用單點接地的設(shè)計理念，能夠有效防止地環(huán)路干擾的產(chǎn)生。對于功率回路，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制其面積，盡可能減小到最低限度，從而降低輻射干擾。接地系統(tǒng)的物理實現(xiàn)需要確保接地線截面滿足電流密度要求，并采用可靠的機械固定方式進(jìn)行接地連接。在高頻應(yīng)用場合，屏蔽層接地的設(shè)計需要特別考慮高頻特性，適當(dāng)采用多點接地策略有助于高頻干擾的有效泄放[6]。

（六）電磁兼容測試分析

電磁兼容測試作為系統(tǒng)設(shè)計的最終驗證環(huán)節(jié)，需要全面覆蓋傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射兩個關(guān)鍵方面。傳導(dǎo)發(fā)射測試主要依靠線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，通過精確測量電源端口的傳導(dǎo)干擾電平來評估系統(tǒng)性能。輻射發(fā)射測試則需要在專業(yè)的電波暗室中開展，以確保測量遠(yuǎn)場輻射強度的準(zhǔn)確性。測試頻段的選擇也需要科學(xué)合理，低頻段聚焦于9 kHz至30 MHz的傳導(dǎo)干擾特性分析，而高頻段則關(guān)注30 MHz至1 GHz的電磁場強度評估。借助近場探頭可以深入檢測局部電磁場分布情況，驟態(tài)干擾測試則能夠全面評估系統(tǒng)對瞬態(tài)電磁脈沖的響應(yīng)特性。通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的頻譜分析，不僅可以準(zhǔn)確識別主要干擾頻率成分，還能為系統(tǒng)的電磁兼容性能優(yōu)化提供可靠的技術(shù)支持。

結(jié)語

通過對功率電子電路散熱和電磁兼容問題的深入研究，揭示了散熱機理和電磁干擾傳播規(guī)律，提出了基于多通道散熱結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料的散熱優(yōu)化方案。采用電磁場仿真技術(shù)，分析電磁干擾特征，設(shè)計電磁屏蔽結(jié)構(gòu)和濾波電路，建立完整的電磁兼容解決方案。實驗驗證表明，優(yōu)化后的散熱系統(tǒng)能夠有效降低器件結(jié)溫，電磁兼容設(shè)計方案可顯著抑制電磁干擾，提高了功率電子電路的可靠性和穩(wěn)定性。研究成果對功率電子電路的散熱設(shè)計和電磁兼容優(yōu)化具有重要的工程應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 岳喬治，彭晗，童喬凌，等.柵極驅(qū)動電路的傳導(dǎo)共模電磁干擾特征分析[J].中國電機工程學(xué)報，2025，45（07）：27792791.

[2] 馬虹，張曉陽.基于電磁兼容預(yù)估的加載電纜電磁建模修正與屏蔽接地設(shè)計研究[J].電子器件，2021，44（06）：13691374.

[3] 蔣玉妹，趙文暉，陳婉如，等.提升電磁兼容性（EMC）檢測報告規(guī)范性與專業(yè)性的分析與建議[J].質(zhì)量與認(rèn)證，2024（03）：6467.

[4] 趙玉虎，明正峰，韓彬彬.功率變換電路電磁兼容建模及抑制方法[J].電氣技術(shù)，2022，23（07）：717.

[5] 何南，吳新新，陳春煒，等.電子電氣設(shè)備的電路隔離技術(shù)及運用分析[J].消費電子，2022（06）：7274.

[6] 劉圣曉.印制電路板設(shè)計的電磁兼容性分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020，56（07）：122123.