电力中的电子设备热效应分析及应用

9．6 散热器的热设计

9．6．1散热器的选择与使用

从传导公式可以看出，在器件内热阻，界面热阻和散热器热阻一定的情况下，器件功耗直接影响结温。因此，热设计的任务就是尽可能减少界面热阻和散热器热阻。对器件与散热器的接触面进行光洁处理、适度增加接触压力、充分利用接触面积、减少接触面插入物质厚度和选用低热阻率的导热绝缘衬垫可以有效降低界面热阻。使用导热衬垫时还要考虑六个月以后的界面热阻会有约20%的增加。

9．6．2散热器选用原则

⑴根据器件功耗、环境温度及允许最大结温来选择合适的散热器。

⑵器件与散热器的接触面应保持平整光洁，散热器的安装孔要去毛刺。

⑶器件与散热器和绝缘片间的所有接触面处应涂导热膏或加导热绝缘硅橡胶片。

⑷型材散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装，以便于自然对流。

⑸散热器应进行表面处理，以增强辐射换热。

⑹应考虑体积、重量及成本的限制和要求。

9．6．3散热器结构设计基本准则

⑴选用导热系数大的材料（如铜和铝等）。

⑵尽可能增加散热器的垂直热面积。

⑶晶体管安装平面平整光洁，以减小接触热阻。

⑷散热器的结构工艺和经济性要好。

10 热设计、热分析在风机变流器的应用

图 4 主功率模块安装在散热器上的图片

具体的计算要按上述分析的步骤，不再熬述。这里只阐述相关的方法和步骤。

首先根据主功率模块（IGBT）的发热量来选用散热器，散热器的选择最好是基面和散热齿是整体挤压的结构，这种散热器热阻小，有利于模块的散热。

考虑到六个IGBT模块的发热量比较大，采用自然风冷不能解决问题，所以采用强迫风冷抽风冷却的形式。风机选用德国进口ebm三相700W的大风机。

为了提高散热效果，在六个主功率模块后面制作一件漏斗，另外将散热器的前断面紧贴主机柜的前门，缩短风道长度利于散热。

在主机柜正对着模块散热器的部位开六个长方形的进风口，使每个模块都形成各自独立的风道，大大地提高了散热效果。

图 5 主机柜门上开孔正对着六个模块形成独立风道的图片

考虑主机柜下面的电抗器及电阻的发热会影响主功率模块的散热，所以将电抗器和电阻部分的热量设计成另外的一件漏斗，后部采用强迫风冷的抽风结构，将电抗器和电阻的热量抽出，这样主功率模块和下面的电抗器及电阻各自形成自己的风道，互不干扰，保证整个元器件的有效散热。

图 6 主机柜下部的电抗器和电阻形成独立风道的图片

11 结 束 语

热设计的基本理论除了传热学和流体力学外，还涉及物理学、化学、材料学、环境学及数学等学科，它是综合学科的反映，一个好的热设计师必须掌握热设计的基本理论，及相应的知识。

热设计是全方位的，从系统、整机、单元、模块到元器件和原材料都要综合分析和设计，各有各的热设计特殊性，必须进行全方位的进行热设计，有一个方面考虑不周，可能导致产品热设计不能满足要求，进而使产品可靠性不能满足用户要求。

热设计〔控制〕是全过程的，从产品方案设计、设计与研制、生产与使用必须进行全过程热设计〔控制〕监控，只要有一个环节失控，就达不到热设计预定的目标。

热设计与技术性能设计、电路设计、机械结构设计、工艺设计、EMC设计、维修性设计、安全性设计等既统一又相互制约，必须全面统筹考虑，优化设计。

为了得到最隹热设计，往往会增加设计成本，这就需要热设计们进行权衡优化，在热设计前提出最优的热设计方案，并予以实施。

由于导热系统复杂，不确定因素较多，因此，理论计算出的值与实际是有差距，可作为设计的指导，因此设计完成之后，必须进行热测量和热分析，以修正热设计。

伴随科学技朮的发展，一些新的导热技术不断涌现，如：蒸发冷却、热管散热、半导体致冷等。

本文通过电力电子设备热设计分析，给予从事热设计人员的一些引导和启迪，伴随新的热设计技术的应用，热设计也必将推动可再生能源的发展。


附录：热分析仿真软件

⑴ Icepak：

Icepak是Fluent公司开发的专门用于电子设备热设计的分析软件。它基于CFD（计算流体动力学）求解器。具有自动化的非结构化网格生成能力和局部加密技术，支持四面体、五面体、六面体、柱体以及混合网格。

⑵ Flotherm：

Flotherm是英国Flomerics公司开发的特别针对电子设备的热设计分析软件。在全球拥有较广泛的用户。

上述软件均有强大的可视化后处理功能及较强的建模求解能力。


参考文献：
【1】电子设备的热设计、热分析,中国电子技术标准化研究所培训中心
【2】电子设备热设计讲座,中国电子学会教育部,2007年9月,上海
【3】可靠性设计,中国电子学会,2008年5月,南京■