大功率电子设备结构热设计研究

邓少文

（广州海格通信集团股份有限公司，广东广州，510656）

1　大功率电子元器件及设备传热方式

若想对装置中大功率器件的热系统进行调节，必须明白装置的传热形式。从热传递的机理上分，可以分为：导热、对流和辐射。

1.1　热传导

导热又叫热传导，从微观上分析，导热是传递过程中仅仅依靠微观粒子进行传热的过程。比如，物体中温度高的部位向温度低的部位传递，或者通过接触使得温度从高温物体传递到低温物体的过程就是导热。

导热的实质通过傅里叶定律来解释，也就是传热过程中，单位时间通过给定截面的热量正比于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积。

其中导热系数是其中打的重要参数。导热系数会受到多种因素的影响，主要受到物质的温度和类型影响，除此之外还会受到环境的压强、空气密度等因素影响，同时对于相同的一种物质而言，导热系数不确定的，因为导热系数还会受到物质的状态、组成等影响。通常导热系数有以下特点：通常情况下，金属的导热性能比非金属好；固体高于液体，液体高于气体等。通过上述分析，导热系数的不同点，因此现在不存在一套完备的公式来精确的计算物质的导热系数。

1.2　对流换热

对流换热是流动的物质和其接触的固体之间的传热过程。按照对流产生的原因分，分为自然对流和强制对流。自然对流是流体内部温度不同存在热流体和冷流体，进而导致流体内部密度分布不均，进而产生传热；强制对流是指外界环境施加给流体力使得流体产生对流的现象。

根据流体流动的性质不同，将流体分为层流和紊流。层流是流体流动过程中流速较慢的部分，表现出有规律的流动的现象。紊流是流体的流速达到一定速度之后，流体质点出现明显的紊乱流动、相互掺杂的现象。流体的流动总是通过加速从层流向紊流变化。通常通过雷诺数Re判断流体的状态。

1.3　辐射换热

辐射是指通过电磁波的形式向外界发射粒子的过程。以热的形式向外发射粒子的过程叫做热辐射。当物体的温度高于绝对零度时，物体会源源不断的向外辐射能量。此外，物体还会在该过程中不断吸收外界物体发射到它自身上的辐射能，进而转化为热能，改变自身温度。辐射换热就是物体间相互辐射、吸收能量之后的结果。

2　大功率器件及设备结构热设计的要求和准则

热设计是指使用热量的过程，使用设备中的控制温度元件控制设备中所有物件的温度，使得设备在当前的条件下，能在规定温度范围内正常工作。电子设备的热设计及时要为所有的工作部件提供安全可靠的工作环境。综上，在热设计过程中需要控制各种设备的热参数，达到高效冷却的目的。

2.1　热设计的要求

（1）热设计在预定的温度范围内工作；（2）热设计中的环境应在设备预设的环境内；（3）热设计应该同时在冷却系统的温度范围中；（4）热设计需要符合国家标准。

2.2　热设计的原则

（1）使用散热量的多少控制设备的温度。（2）使用适合的热传递形式。一般情况下，热传递能够满足设备对热量的需求，在中等发热中，通常使用对流冷却的形式，所以通常可以使用传导、对流等方法就可以达到冷却的目的，不需要外加设备进行冷却。（3）热设计中应该重视设备的热阻、能耗、温度等参数，温度是其中最重要的参数。（4）热设计中的冷却装置应该简洁高效，同时能够适应设备工作环境。（5）热设计中不应该忽视设备的大小、设备的功耗、涉笔的电路布置以及设备的实际操作环境等因素。（6）热设计不是单独开展的，必须和机械设计同时进行，全方位考虑影响因素。（7）热设计的早前期设计中应从多方面对冷却系统进行分析。（8）热设计中应考虑各种器件的工作电压、电流等。

3　大功率电子元器件及设备结构热设计的主要参数计算

3.1　元器件总热阻

要计算元器件的总热阻，需要分别测量元器件的内热阻、表面热阻以及其外热阻，然后求其总和。

以散热翅片为例，对于元器件的内热阻而言，其往往由于生产厂家以及生产工艺的不同而有所差异，但是生产厂家提供的内热阻往往不是真正意义上的内热阻，其和外部散热翅片以及散热方式没有直接联系。表面热阻在元器件的封装表面以及散热翅片下表面间隙间的导热接触热阻没有准确测量时，就会产生20%的误差，即使最好的实验室测量也难以避免。对于外电阻而言，在设计过程中是能够改变的数值，其阻值的大小与翅片材料的导热系数、翅片效率、表面面积和表面对流换热系数有关。

3.2　热沉和热流分配

热沉指的是在传热过程中热流量经传热途径至最终的部位，他的大小受到流量大小的影响，可以将其假设成无限大的容器，可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，这取决于被冷却设备所处的环境。对于热流量的传递有许多的形式，通过多种路径的传递，最终达到热沉，要保证各个节点的温度要保持在合理的范围内。对于实际的案例而言，在设计的过程中要合理运用中间是散热器，这也是设备设计的一部分。例如，在设计中可以对设备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂进行比较和选择。

3.3　理论耗散功耗

对于电子器件而言，热量的产生是电器器件在工作过程中难以避免的，而在电子器件工作过程中，当电流经过半导体或者无源器件的时候，会有一部分的功率会以热能的形式散失，这就是理论耗能。其耗能的功率可以用以下公式进行计算：dmP VI=

如果考量电压、电流在实际工作中随时间变化，需要计算平均耗散功率，可以按照以下公式进行计算：

3.4　电感和电容

虽然，在电感电路中不会发生电量的损耗，但是在工作过程中的储能以及释能过程中，会出现能量的互换，这主要发生在电感和电源之间，这种能量互换的规模通常为无功功率PQ。该元件能够积累电荷、储存电厂能量，其由两个金属板极并在其间夹有电绝缘介质构成。

电容器不会消耗电源的能量，在工作过程中只会与电源作周期性能量互换。

3.5　冷却方法的选择

在温升达到40度的时候，需要根据热流的密度以及体积功率密度值进行冷却方法的选择，使其达到温升的要求。选择过程可以根据以下图片总所示的关系进行选择，但是这种方法仅仅能够适用于温升要求不高设备的冷却。常见的传热方式是金属导热，因为其具有热路容易控制的优势，所以在实际应用中备受欢迎。但是，对于辐射换热由于其需要较高的温差，传热的路径难以控制，在应用中有诸多限制。对流换热也有着自己的局限，在换热过程总需要较大的面积，要想安装密度较高的设备内部，往往难以完成。

图1　冷却方法关系图

4　总结

要进行大功率电子元器件以及设备结构的热设计，首先要根据电器元器件以及设备的传热方式进行分析，考量其电器元器件的热环境等因素。在此技术上，进行相关参数的计算，分别对总热阻，热沉和热流分配，理论耗散功耗以及电感和电容等参数进行计算，最终选定合适的冷却方法来完成大功率电子元器件及设备结构的热设计。