如何应对电气设备热管理的几个方面考量

应对电气设备温度，第一个考量就是加强散热。首先要采取的预防措施是采用并实施一种策略来分散电气和电子电路的热量。散热器的传热效率与散热器与周围空间之间的热阻有关。它测量材料散热的能力。具有大表面积和良好空气流通(气流)的散热器，提供最佳散热。为此，必须安装合适的散热器，与相关方直接接触。

理想的散热片材料必须具有高导热性、低热膨胀系数、低密度和低成本。使用的材料是铜和铝：前者用于需要最大热传递效率的情况，成本更高，比重更大;后者适用于要求不高的操作条件。然而，近来，正在研究一门关于热材料的新科学，在不久的将来，技术将有助于生产性能更好、成本更低的新材料。

通过系统内部金属氧化物半导体场效应晶体管(Mosfet)的开/关来调节输出功率，从而达到节能和调速的目的。冷却对于电路的性能和使用寿命至关重要。如今，双面冷却电源模块可提供卓越的冷却性能，以提高对热循环的鲁棒性。半导体管芯夹在传统的直接键合铜 (DBC) 基板之间，基板直接冷却，而不是通过传统的散热器、散热器组件。

设计人员必须实施设备，以对包含电路的外壳进行有效和可靠的冷却。如果这是精心制作的，它也可以用作散热器。这样，即使环境温度高达 50°C，设备也可以在最大额定功率下运行。许多高度专业的软件允许您模拟由电气、物理和液压子系统组成的整个系统。该软件允许在实际生产之前进行虚拟原型测试。在设计冷却元件之前，可以研究材料、热流和电信号以确定最佳工作点。

容器作为散热器

许多功率器件封装在金属容器中，这些金属容器本身充当散热器。这些是防水容器，可以完美适应最极端的环境。它们通常具有带散热片的铝制机身。

优化电子元件的位置

当电流流过电子元件时，它们会散热。热量取决于功率和电路设计。考虑到电路的规格，电路上电子元件的最佳布置应提供良好的空气流通和部件的智能放置。这些组件在热剖面下进行了优化布置，可以将它们的热量散发到环境中。

最热的组件应放置在比冷的组件更高的位置。电路可以在安装在具有热平面的印刷电路板 (PCB) 上的组件上覆盖金属盖，以帮助散热。组件有助于产生热量以及电连接、铜迹线和通孔的电阻。此外，必须特别小心地创建 PCB。设计人员必须使用适当的冷却方法研究组件的尺寸、PCB 的尺寸及其材料、布局、组件放置和方向。他们可以使用红外 (IR) 摄像头以及仿真软件来评估供电原型板。

主动冷却

如果无法应用被动解决方案，最好使用主动解决方案，该解决方案通常由测量热参数的系统和执行器(恒温器或恒湿器)组成。它控制改变热量的设备(风扇、加热器、空调等)。主动冷却方法，例如强制空气或泵送液体，可以提供可接受的性能。然而，这会增加能量消耗和噪音。这些系统通过风扇、空调和空气-空气或空气-水交换提供强制对流。

具有低 R DS(on)的开关组件

现代开关电路由碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) MOSFET 制成(图 7)。这些组件提供了很大的优势，主要是从热的角度和效率的角度来看。与硅 (Si) 相比，SiC 具有十倍的介电击穿场强、三 倍的带隙和三 倍的热导率。SiC MOSFET 的主要特性和优势包括：

· 极高的温度处理能力(最大 TJ = 200 °C);

· 显着降低开关损耗;

· 低通态电阻(650 V 器件为 20 mOhm，1200 V 器件为 80 mOhm);

· 非常快速和强大的本征体二极管。

GaN 对于生产 MOSFET 也非常有用。GaN是一种直接带隙半导体。基于 GaN 的 MOSFET 和金属半导体场效应晶体管 (MESFET) 可用于高功率电子产品，尤其是在电动汽车和汽车应用中。

结论

设计师应从设计的概念阶段考虑所有影响温度的因素。热管理技术取决于组件和电路耗散的热量、环境、设计和外壳。随着功率微电路的采用，必须毫无问题地管理能源并最大限度地散热。毫无疑问，受正确热管理影响的第一个因素是安全性。由于大多数功率器件用于汽车领域，因此谨慎和安全是主要目标。

良好的热管理还有助于防止过热和电路故障。这导致电力设备最终用户的维护成本大幅降低。它们还提高了能源效率和消耗。更好的热管理可以提高系统的性能。最后，精心设计的电子电路具有所有最佳热管理标准，可以保护其电子元件，使其使用寿命更长。因此，整个系统的维护也大大减少。