基于热阻基础上的电力电子系统热设计

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1、基于热阻基础上的电力电子系统热设计　　摘要随着电子信息技术的快速发展，电子装备逐渐更新换代，并向着轻薄、短小且便于携带的方向发展。由于新设计的电子器件具有体积小、高互联等特点，导致对微电子器件热性能测试变得更加困难。电力电子设备的热设计，就是对电子元件、组件等进行温升控制。鉴于此，文中从热设计基本要件和传递方式入手，深入分析热阻与热设计必须考虑的因素，以直流-直流电源模块热设计实例进行解说确保整个系统具有优异的散热性能，且安全可靠。　　【关键词】热阻电力电子系统热设计　　电力电子技术是综合电子学、电力学

2、、控制领域等学科的交叉学科。电力电子系统集成是电子技术领域大众普遍关注的课题，电力电子技术必然成为未来领域研究的热点和方向，也在一定程度上决定电力电子技术未来的兴衰命运。此时，相对应的冷却技术也应与之保持同步发展状态。但电力电子装置的负载下与其应用之前的矛盾更加尖锐，也会阻碍电力电子技术的发展。制定热控制方案时，电子元器件最高允许温度和功耗为主要设计参数，热分析是展开热设计的基础，安全、可靠的热分析是进行热评估的主要手段。热分析应贯穿热设计始终，为修改并完善整个方案提供重要依据。文中以热设计要求和传递方

3、式为基础，以直流-直流电源模块热设计实例介绍热设计要点和安全性。　　1热设计的基本要求及传递方式　　1.1热设计基本要求　　运用计算机模拟手段，在设计初期获得温度分布数据。设计初期即可掌握产品存在的热缺陷，并对其设计进行改进，创建一个满足要求的环境温度控制系统。换言之，就是设计相应的冷却系统，由热源至热沉间提供低热阻通道，确保热量顺利传递下去。同时，该设计能控制所有电子元器件温度，确保其设备所处环境不超过最高允许值，保障电子产品在合理的热环境下进行工作。电子产品热设计要依据产品可靠性及其所处环境确定热设

4、计目标，通常情况下，设计师根据热设计目标及设备重量、结果等展开设计，主要包含选择恰当的冷却方法、安装元器件、设置变压器、模块散热结构等。电力电子系统热设计应与电路设计和结构相结合，保障满足设备的可靠性要求。　　1.2热传递主要方式　　1.2.1传导散热　　传导散热是当物体直接接触时进行能量交换的情况。必须注意，不同物体的导热机理有所不同，非导电固体、液体利用物体内部分子运动的弹性波达到传递热量的效果。在金属材料中，主要利用自有电子运动传递能力。因此，导电性能较好的材料，其导热性能佳。传导散热计算公式为：

5、　　Q=KA△t/L（1）　　上述式子中，Q表示传导散热量，A表示导体横截面积，L表示传热路径长度，△表示传热路径两端温差。　　1.2.2辐射散热　　辐射散热是利用电磁波传递能量的情况。热量传递过程中，由热能转变为辐射能，被物体吸收后变为热能。热辐射无需介质，在真空环境下热辐射最强，因此，外层飞行器运用辐射换热非常有利。辐射散热计算公式如下：　　Q=??T4（2）　　其中，Q表示辐射散热量，T表示绝对温度。　　1.2.3对流换热　　对流换热设置流体流过固体壁面发生的能量交换情况，它与流通宏观运动密切相关

6、，且与流体物理性质及换热面几何形状，设计位置等因素密切有关。流散热量计算公式为：　　Q=hA△t（3）　　在上述式子中，Q表示对流散热量，h表示换热系数，A表示有效换热面积，△t表示换热面积与流体温差。　　2热设计主要考虑因素　　2.1系选定的热阻模式　　电力电子系统模块是发热体与散热体相互组合的形式，从热管理层面来说，更多的关注该系统内部发热体与散热体如何进行热传递。在各种热传递方式中，热阻表示某物体阻止热传递的能力，热阻是阻止热量向下一个环节传递的重要设计。热阻和电阻的概念有一定相似之处，如果某个物

7、体传热功率为1W时，促使导热路径两端存在温差。　　从进行热设计的方面来说，其主要工作是将发热体所产生的热量借助相应的散热体传递至系统外环境中。发热体主要零件有：电阻、变压器、功率半导体等，发热体内部热流抵抗称作内热阻。模块根据设计的电路图，对各个发热零组件实施构装设计。散热体主要由致冷器、导热胶等零件组成，在零组件空间内的等效热阻称作外热阻。电力电子系统热阻模式如图1。系统等效热阻是发热体总等效热阻与不同散热体等效热阻串联方式呈现的效果。　　2.2热平衡验证　　热分析就是以能量守恒为基础设计的热平衡方程

8、，借助有限元法计算不同节点温度，并获取其它热物理参数。　　热分析就是以能量守恒为基础设计的热平衡方程，借助有限元法计算不同节点温度，并获取其它热物理参数。热分析主要包括稳态和瞬态传热，从传热学理论角度来说，热分析根据能量守恒定律，　　Q-W=?U+?KE+?PE（4）　　上述公式中，Q和W分别表示热量、做工，?U、?KE表示系统内能和动能，?PE表示系统势能，部分工程传热问题中，一般考虑是否做工，如果W=0，则Q=?U；对稳态热进行分析，Q