电力电子设备热设计的分析及应用

1 引言 
   
在风机变流器和光伏并网逆变器的整机设计中，主功率模块、电抗器及电阻的热设计是非常关键的。要保证上述元器件在许可的温度下正常工作运行，热量的分析及散热设计至关重要。本文通过对电力电子设备的热分析，能很好解决以上问题。

2热分析的目的 
   
利用数学手段及通过计算机模拟，在设计阶段获得温度分布。在设计初期就能发现产品的热缺陷，从而改进其设计，建立一个满足可靠性要求的环境温度控制系统。也就是设计一个冷却系统，在热源至热沉之间提供一条低热阻通道，保证热量顺利传递出去。控制电子产品内部所有电子元器件的温度，使其在设备所处的工作环境条件下不超过最高允许温度，确保电子产品在规定的热环境下可靠工作。 
    
3 热设计的核心 
   
设计一个冷却系统，在热源至热沉之间提供一条低热阻通道，保证热量顺利传递出去。
   
温度对电子产品可靠姓影响极大，尤其对半导体器件最为敏感，如下图所示，几乎所有电子元器件参数都与温度有关。

图 1 电子元器件故障率与温度的关系

4  热设计的基本要求 
   
电子产品热设计应首先根据设备的可靠性指标及设备所处的环境条件确定热设计目标，热设计目标一般为设备内部元器件允许的最高温度，根据热设计目标及设备的结构、体积、重量等要求进行热设计，主要包括冷却方法的选择、元器件的安装与布局、印制电路板、电阻、电抗器、变压器、模块散热结构的设计和机箱散热结构的设计。
   
电子设备的热设计要与电路设计和结构设计同时进行，满足设备可靠性的要求。
   
热设计与维修性设计相结合，可提高设备的可维修性。

5 热设计中术语的定义 
    ⑴ 热特性：设备或元器件的温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。
    ⑵ 热流密度：单位面积的热流量。
    ⑶ 热阻：热量在热流路径的阻力。
    ⑷ 内热阻：元器件内部发热部位与表面某部位之间的热阻。
    ⑸ 安装热阻：元器件与安装表面之间的热阻，又叫界面热阻。
    ⑹ 温度稳定：温度变化率不超过每小时2℃时，称为温度稳定。
    ⑺ 温度梯度：等温面的法向方向上单位距离所引起的温度增量定义为温度梯度。
    ⑻ 紊流器：提高流体流动紊流程度并改善散热效果的装置。
    ⑼ 热沉：是一个无限大的热容器，其温度不随传递到它的热能大小而变化。它也可能是大地、大气、大体积的水或宇宙，又称热地。

6 热传递的三种方式 
   
传热的基本形式有传导、对流和热辐射三种。
   
⑴ 传导散热是指物体直接接触时，能量交换的现象。在不同的物体中，其导热机理各不相同，在非导电固体和液体中，主要依靠物体内部分子运动的弹性波在传递热量。在金属导体中，主要依靠自由电子的运动传递能量。因此，导电性能好的材料，其导热性能也好，气体的导热主要依靠分子的不规则运动传递能量。传导散热量计算如下：
    Q=KA△t/L                                 （1）
    式中：
    Q——传导散热量，W
    K——导热系数，W/m·℃
    A——导体横截面积，m2
    △——传热路径两端温差，℃
    L——传热路径长度，m
    
   
⑵ 对流换热是流体流过固体壁面时的一种能量交换现象，它与流体的宏观运动密切相关，而且与流体的物理性质以及换热面的几何形状，放置位置等因素有关。在具体研究或计算对流换热时，应注意计算用的准则方程的限制条件。对流散热量计算如下：
    Q=hA△t                                           （2）
    式中：
    Q——对流散热量，W
    h——换热系数，W/m2·℃
    A——有效换热面积，m2
    △t——换热表面与流体温差，℃
    
   
⑶ 热辐射是靠电磁波传递能量的一种现象。在传递过程中，有能量形式的转换，即热能变成辐射能，被物体吸收后，又变成热能。热辐射不需要介质，在真空中热辐射最强，故外层空间的飞行器表面利用辐射换热较为有利。辐射散热量计算如下：
    Q= · ·T4                                                  （3）
    式中：
    Q——辐射散热量，W
    ——散热表面辐射率，W/m2·℃
    σ——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-8(W/m2K4)
    T——绝对温度，K
    
    电子设备热传递的三种方式如图2所示。
    

图2 电子设备热传递方式 
   
7 热设计应考虑的因素 
    ⑴ 工作过程中，功率元件耗散的热量。
    ⑵ 设备周围的工作环境，通过导热、对流和辐射的形式，将热量传递给电子设备。
    ⑶ 设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温。
    ⑷ 环境温度和压力（或高度）的极限值。
    ⑸ 环境温度和压力（或高度）的变化率。
    ⑹ 太阳或周围物体的辐射热。
    ⑺ 可利用的热沉（包括：种类、温度、压力和湿度）。

8 热设计的详细步骤 
    ⑴确定设备(或元器件)的散热面积、散热器或周围空气的极值环境温度范围。
    ⑵确定冷却方式。
    ⑶对少量关键发热元器件进行应力分析，确定其最高允许温度和功耗，并对其失效率加以分析。
    ⑷按器件和设备的组装形式，计算热流密度。
    ⑸由器件内热阻(查器件手册)确定其最高表面温度。
    ⑹确定器件表面到散热器或空气的总热阻。
    ⑺根据热流密度等因素对热阻进行分析与分配，并对此加以评估，确定传热方法和冷却技术。
    ⑻选定散热方案。

9 热设计分析

9．1主要电子元器件热设计 
  
⑴电阻器。电阻器的温度与其形式、尺寸、功耗、安装位置及方式、环境温度有关，一般通过本身的辐射、对流和引出线两端的金属热传导来散热，在正常环境温度下，经试验得知，对功率小于0.5W的炭膜电阻，通过传导散去的热量占50%，对流散热占40％，辐射散热占10％。因此在装配电阻器时，要使其引出线尽可能短，以减小热阻，安装方式应使其发热量大的面垂直于对流气体的通路，并加大与其他元器件之间的距离，以增加对流散热效果，电阻器的表面涂以无光泽的粗糙漆，可提高辐射散热能力。
   
⑵变压器。铁芯和线包是变压器的热源，传导是其内部的主要传热途径，因此要求铁芯与支架，支架与固定面都要仔细加工，保证良好接触，使其热阻最小，同时在底板上应开通风孔，使气流形成对流，在变压器表面涂无光泽黑漆，以加强辐射散热。

9．2模块的热设计 
   
 ⑴模块热设计是使模块在上述任一传热路径上的热阻足够低，以保证元器件温度不超过规定值，将界面温度即散热片或导轨的表面温度控制在0℃～60℃。模块的热设计有两类问题：根据模块内部要求进行设计，包括界面温度、功耗和元器件的许用温度等；根据系统的环境、封装、单个或组合的模块功耗等要求，对整个系统进行热设计。
   
⑵ 模块内部的热设计。为满足电子模块的可靠性要求，设计上必须保证模块处于最大功耗时及在其额定界面温度下，使所有元器件的温度低于元器件的临界温度(即比有关规范规定的额定值的100%低20℃的温度)。元器件的瞬态临界温度(指额定值)可看作安全因子，当散热片和导轨温度达到80℃(比最高界面温度高20℃)时所有元器件的温度应低于或等于元器件的瞬态临界温度。

9．3整机散热设计 
   
⑴ 确定整机的热耗和分布。
   
⑵ 根据整机结构尺寸初步确定散热设计方案。
   
⑶ 对确定的冷却方式进行分析(如强迫风冷的风机数量，选型，级联方式，风道尺寸，风量大小，控制方式等)。
   
⑷ 针对分析结果可利用热分析软件进一步验证。
   
⑸ 对散热方案进行调整进而最后确定。

9．4 机壳的热设计 
   
电子设备的机壳是接受设备内部热量，并通过它将热量散发到周围环境中去的一个重要热传递环节。机壳的设计在采用自然散热和一些密闭式的电子设备中显得格外重要。试验表明，不同结构形式和涂覆处理的机壳散热效果差异较大。机壳热设计应注意下列问题：

（1）增加机壳内外表面的黑度，开通风孔（百叶窗）等都能降低电子设备内部元器件的温度；

（2）机壳内外表面高黑度的散热效果比两测开百叶窗的自然对流效果好，内外表面高黑度时，内部平均降温20℃左右，而两侧开百叶窗时（内外表面光亮），其温度只降8℃左右；

（3）机壳内外表面高黑度的降温效果比单面高黑度的效果好，特别是提高外表面黑度是降低机壳表面温度的有效办法；

（4）在机壳内外表面黑化的基础上，合理地改进通风结构（如顶板、底板、左右两侧板开通风孔等），加强空气对流，可以明显地降低设备的内部温度环境；

（5）通风口的位置应注意气流短路而影响散热效果，通风孔的进出口应开在温差最大的两处，进风口要低，出风口要高。风口要接近发热元件，是冷空气直接起到冷却元件的作用；

（6）在自然散热时，通风孔面积的计算至关重要，图3示出了通风孔面积与散热量的关系，可供设计通风口时作依据，亦可根据设备需要由通风口的散热量用下式计算通风孔的面积。
         S0=Q/7.4×10-5·H · △t1. 5                           （4）
式中：    
      S0——进风口或出风口的总面积〔cm2〕；
      Q——通风孔自然散热的热量〔设备的总功耗減去壁面自然对流和辐射散去的热量〕〔W〕；
      H——进出风口的高度差〔cm〕；
      △t ==t2-t1——设备内部空气温度t2与外部空气温度t1之差〔0C〕。

（7）通风口的结构形式很多，有金属网，百叶窗等等，设计时要根据散热需要，既要使其结构简单，不易落灰，又要能满足强度，电磁兼容性要求和美观大方。

（8）密封机壳的散热主要靠对流和辐射，决定于机壳表面积和黑度，可以通过减小发热器件与机壳的传导热阻，加强内部空气对流（如风机）增加机壳表面积（设散热筋片）和机壳表面黑度等来降低内部环境温度。

图3 自然散热时通风孔面积和散热量的关系

9．5强迫风冷设计 
   
当自然冷却不能解决问题时，需要用强迫空气冷却，即强迫风冷。强迫风冷是利用风机进行鼓风或抽风，提高设备内空气流动速度，达到散热的目的。强迫风冷的散热形式主要是对流散热，其冷却介质是空气。强迫风冷在中、大功率的电子设备中应用较广范，因为它具有比自然冷却多几倍的热转移能力，与其他形式的强迫冷却相比具有结构简单，费用较低，维护简便等优点。
  
 整机强迫风冷系统有两种形式：鼓风冷却和抽风冷却。
  
 鼓风冷却的特点是风压大，风量比较集中。适用于单元内热量分布不均匀，风阻较大而元器件较多的情况。
  
 抽风冷却的特点是风量大，风压小，风量分布较均匀，在强迫风冷中应用更广泛。
   
对无管道的机柜抽风，整个机柜相当于一个大风管，要求机柜四周密封好，测壁上也不应开孔，只允许有进、出风口。考虑热空气上升，抽风机常装在机柜上部或顶部，出风口面对大气，进风口则装在机柜下部，这种风冷形式常适用于机柜内各元件冷却表面风阻较小的设备。对于在气流上升部位有热敏元件或不耐热元件的设备则必须用风道使气流避开，并沿需要的方向流入其进风口，通常在机柜侧面，出风口（抽风口机）在机柜顶部。

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■