大功率電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)研究

鄧少文

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州，510656）

1　大功率電子元器件及設(shè)備傳熱方式

若想對(duì)裝置中大功率器件的熱系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必須明白裝置的傳熱形式。從熱傳遞的機(jī)理上分，可以分為：導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射。

1.1　熱傳導(dǎo)

導(dǎo)熱又叫熱傳導(dǎo)，從微觀上分析，導(dǎo)熱是傳遞過(guò)程中僅僅依靠微觀粒子進(jìn)行傳熱的過(guò)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(guò)接觸使得溫度從高溫物體傳遞到低溫物體的過(guò)程就是導(dǎo)熱。

導(dǎo)熱的實(shí)質(zhì)通過(guò)傅里葉定律來(lái)解釋，也就是傳熱過(guò)程中，單位時(shí)間通過(guò)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(dǎo)熱系數(shù)是其中打的重要參數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)受到多種因素的影響，主要受到物質(zhì)的溫度和類型影響，除此之外還會(huì)受到環(huán)境的壓強(qiáng)、空氣密度等因素影響，同時(shí)對(duì)于相同的一種物質(zhì)而言，導(dǎo)熱系數(shù)不確定的，因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)還會(huì)受到物質(zhì)的狀態(tài)、組成等影響。通常導(dǎo)熱系數(shù)有以下特點(diǎn)：通常情況下，金屬的導(dǎo)熱性能比非金屬好；固體高于液體，液體高于氣體等。通過(guò)上述分析，導(dǎo)熱系數(shù)的不同點(diǎn)，因此現(xiàn)在不存在一套完備的公式來(lái)精確的計(jì)算物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.2　對(duì)流換熱

對(duì)流換熱是流動(dòng)的物質(zhì)和其接觸的固體之間的傳熱過(guò)程。按照對(duì)流產(chǎn)生的原因分，分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流是流體內(nèi)部溫度不同存在熱流體和冷流體，進(jìn)而導(dǎo)致流體內(nèi)部密度分布不均，進(jìn)而產(chǎn)生傳熱；強(qiáng)制對(duì)流是指外界環(huán)境施加給流體力使得流體產(chǎn)生對(duì)流的現(xiàn)象。

根據(jù)流體流動(dòng)的性質(zhì)不同，將流體分為層流和紊流。層流是流體流動(dòng)過(guò)程中流速較慢的部分，表現(xiàn)出有規(guī)律的流動(dòng)的現(xiàn)象。紊流是流體的流速達(dá)到一定速度之后，流體質(zhì)點(diǎn)出現(xiàn)明顯的紊亂流動(dòng)、相互摻雜的現(xiàn)象。流體的流動(dòng)總是通過(guò)加速?gòu)膶恿飨蛭闪髯兓ＭǔＭㄟ^(guò)雷諾數(shù)Re判斷流體的狀態(tài)。

1.3　輻射換熱

輻射是指通過(guò)電磁波的形式向外界發(fā)射粒子的過(guò)程。以熱的形式向外發(fā)射粒子的過(guò)程叫做熱輻射。當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，物體會(huì)源源不斷的向外輻射能量。此外，物體還會(huì)在該過(guò)程中不斷吸收外界物體發(fā)射到它自身上的輻射能，進(jìn)而轉(zhuǎn)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(jié)果。

2　大功率器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)的要求和準(zhǔn)則

熱設(shè)計(jì)是指使用熱量的過(guò)程，使用設(shè)備中的控制溫度元件控制設(shè)備中所有物件的溫度，使得設(shè)備在當(dāng)前的條件下，能在規(guī)定溫度范圍內(nèi)正常工作。電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)及時(shí)要為所有的工作部件提供安全可靠的工作環(huán)境。綜上，在熱設(shè)計(jì)過(guò)程中需要控制各種設(shè)備的熱參數(shù)，達(dá)到高效冷卻的目的。

2.1　熱設(shè)計(jì)的要求

（1）熱設(shè)計(jì)在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)工作；（2）熱設(shè)計(jì)中的環(huán)境應(yīng)在設(shè)備預(yù)設(shè)的環(huán)境內(nèi)；（3）熱設(shè)計(jì)應(yīng)該同時(shí)在冷卻系統(tǒng)的溫度范圍中；（4）熱設(shè)計(jì)需要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.2　熱設(shè)計(jì)的原則

（1）使用散熱量的多少控制設(shè)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(shè)備對(duì)熱量的需求，在中等發(fā)熱中，通常使用對(duì)流冷卻的形式，所以通常可以使用傳導(dǎo)、對(duì)流等方法就可以達(dá)到冷卻的目的，不需要外加設(shè)備進(jìn)行冷卻。（3）熱設(shè)計(jì)中應(yīng)該重視設(shè)備的熱阻、能耗、溫度等參數(shù)，溫度是其中最重要的參數(shù)。（4）熱設(shè)計(jì)中的冷卻裝置應(yīng)該簡(jiǎn)潔高效，同時(shí)能夠適應(yīng)設(shè)備工作環(huán)境。（5）熱設(shè)計(jì)中不應(yīng)該忽視設(shè)備的大小、設(shè)備的功耗、涉筆的電路布置以及設(shè)備的實(shí)際操作環(huán)境等因素。（6）熱設(shè)計(jì)不是單獨(dú)開展的，必須和機(jī)械設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，全方位考慮影響因素。（7）熱設(shè)計(jì)的早前期設(shè)計(jì)中應(yīng)從多方面對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析。（8）熱設(shè)計(jì)中應(yīng)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(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)的主要參數(shù)計(jì)算

3.1　元器件總熱阻

要計(jì)算元器件的總熱阻，需要分別測(cè)量元器件的內(nèi)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(duì)于元器件的內(nèi)熱阻而言，其往往由于生產(chǎn)廠家以及生產(chǎn)工藝的不同而有所差異，但是生產(chǎn)廠家提供的內(nèi)熱阻往往不是真正意義上的內(nèi)熱阻，其和外部散熱翅片以及散熱方式?jīng)]有直接聯(lián)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(dǎo)熱接觸熱阻沒(méi)有準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生20%的誤差，即使最好的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量也難以避免。對(duì)于外電阻而言，在設(shè)計(jì)過(guò)程中是能夠改變的數(shù)值，其阻值的大小與翅片材料的導(dǎo)熱系數(shù)、翅片效率、表面面積和表面對(duì)流換熱系數(shù)有關(guān)。

3.2　熱沉和熱流分配

熱沉指的是在傳熱過(guò)程中熱流量經(jīng)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(shè)成無(wú)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(shè)備所處的環(huán)境。對(duì)于熱流量的傳遞有許多的形式，通過(guò)多種路徑的傳遞，最終達(dá)到熱沉，要保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度要保持在合理的范圍內(nèi)。對(duì)于實(shí)際的案例而言，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要合理運(yùn)用中間是散熱器，這也是設(shè)備設(shè)計(jì)的一部分。例如，在設(shè)計(jì)中可以對(duì)設(shè)備的底座、外殼或機(jī)柜、冷板、肋片式散熱器或設(shè)備中的空氣、液體等冷卻劑進(jìn)行比較和選擇。

3.3　理論耗散功耗

對(duì)于電子器件而言，熱量的產(chǎn)生是電器器件在工作過(guò)程中難以避免的，而在電子器件工作過(guò)程中，當(dāng)電流經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體或者無(wú)源器件的時(shí)候，會(huì)有一部分的功率會(huì)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(jìn)行計(jì)算：dmP VI=

如果考量電壓、電流在實(shí)際工作中隨時(shí)間變化，需要計(jì)算平均耗散功率，可以按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

3.4　電感和電容

雖然，在電感電路中不會(huì)發(fā)生電量的損耗，但是在工作過(guò)程中的儲(chǔ)能以及釋能過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)能量的互換，這主要發(fā)生在電感和電源之間，這種能量互換的規(guī)模通常為無(wú)功功率PQ。該元件能夠積累電荷、儲(chǔ)存電廠能量，其由兩個(gè)金屬板極并在其間夾有電絕緣介質(zhì)構(gòu)成。

電容器不會(huì)消耗電源的能量，在工作過(guò)程中只會(huì)與電源作周期性能量互換。

3.5　冷卻方法的選擇

在溫升達(dá)到40度的時(shí)候，需要根據(jù)熱流的密度以及體積功率密度值進(jìn)行冷卻方法的選擇，使其達(dá)到溫升的要求。選擇過(guò)程可以根據(jù)以下圖片總所示的關(guān)系進(jìn)行選擇，但是這種方法僅僅能夠適用于溫升要求不高設(shè)備的冷卻。常見的傳熱方式是金屬導(dǎo)熱，因?yàn)槠渚哂袩崧啡菀卓刂频膬?yōu)勢(shì)，所以在實(shí)際應(yīng)用中備受歡迎。但是，對(duì)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(yīng)用中有諸多限制。對(duì)流換熱也有著自己的局限，在換熱過(guò)程總需要較大的面積，要想安裝密度較高的設(shè)備內(nèi)部，往往難以完成。

圖1　冷卻方法關(guān)系圖

4　總結(jié)

要進(jìn)行大功率電子元器件以及設(shè)備結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)，首先要根據(jù)電器元器件以及設(shè)備的傳熱方式進(jìn)行分析，考量其電器元器件的熱環(huán)境等因素。在此技術(shù)上，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，分別對(duì)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(shù)進(jìn)行計(jì)算，最終選定合適的冷卻方法來(lái)完成大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)。