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2024-12-12
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电力电子器件散热的基本原理.doc

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电力电子器件散热的基本原理(1)——热传导中的“热阻”概念
散热的基本原理
一个工作中的电力电子器件由于种种原因本身要发热。如何驱散掉这些热呢?人们发明了“散热器”,实际上它是一种热交换器。把器件的发热面与散热器平面紧贴一起,热就从器件传到温度较低的散热器上,然后通过流动的空气、水或其他介质吸收散热器上的热并把它带走。此时,我们可以看到存在着一条热流通道,它是从热源——发热的器件芯片开始到带走热的介质为止。如果在这条热流通道中固体部分用的是高导热系数材料、流体部分又是热容高的材料,那么热就散的快,也就是热流遇到的阻力小。这里提出了一个“热阻”概念。如用R表示:
热阻:R=(Td-Ta)/P
Td是发热点d点温度、Ta是周围流动介质a点温度、P是发热点的发热功率。在此,热流是由d点向a点流动,Td>Ta,此时R即为d点到a点热阻。
在电力电子器件中,设芯片温度为:Tj、流动介质温度为Ta
热阻:Rja=(Tj-Ta)/P
当Ta为一定,发热功率P恒定时,热阻Rja越小,芯片温度Tj也越小。
Rj-a由三部分热阻叠加。ⅰ,芯片到器件外壳,热阻为Rjc;ⅱ,由器件外壳到散热器,热阻为Rcs;ⅲ,散热器到周围介质,热阻为Rsa
Rja=Rjc+Rcs+Rsa
第一项由器件制造者设计决定,第二项很小,装置设计者要考虑的就是第三项:Rsa
为叙述方便,先从强迫空气冷却(风冷)说起。
在风冷条件下Rsa由以下几个因素决定:
ⅰ,散热器材质的热导率越大越好;
ⅱ,散热器与空气接触面面积越大越好;
ⅲ,风速大比小好;
但要注意的是:风机吹出的风是流体,同样遵循流体运动原理。即前方阻力小风速就大,流量增大;前方阻力大,风速就小,流量减小,有如并联电路的欧姆定律。所以不能用减小散热片的间距多加翅片,来单纯达到加大散热器的表面积的效果。因为间距一小,空气阻力增加,风在间隙处很难进去。此时,如在散热器周边没有阻挡物,大量的风就从周边通过。间隙内的风速很小,风量也不大,达不到冷却的目的。
电力电子器件散热的基本原理(2)——风冷散热器选用基础
电力电子器件散热的基本原理(1)中提出在风冷条件下决定Rsa的三个因素只是定性分析。实际使用中并不是“越大越好”,而是根据需要进行设计和合理选用,否则会脱离实际,成本也会因此上升或体积变得很大。为此,散热器的选择可按以下步骤进行:
1,Tj,即器件芯片温度。每一种电力电子器件的国家质量标准都有明确规定。如晶闸管Tj的允许最高温度为125℃,考虑到设计余量,按85%取,即107℃。流动介质的温度(环境温度)Ta通常取40℃。它们之间温差(又称芯片结温升):
ΔTja=Tj-Ta=107℃-40℃=67℃
2,Rjc由电力电子器件制造单位在该器件的技术参数表中给出,由它算出芯片与器件外壳的温差:ΔTjc=Tj-Tc=P×Rjc,一般小于15℃。
3,Rcs常称器件与散热器的接触热阻。因器件与散热器固定的平面不平而引起,采取涂抹导热硅脂填平不平处后,此热阻值会大幅下降。两者之间的温差ΔTcs=Tc-Ts一般小于5℃。
ΔTja=ΔTjc+ΔTcs+ΔTsa
ΔTsa=(Ts-Ta)=ΔTja-(ΔTjc+ΔTcs)=67℃-(15℃+5℃)=47℃
通过公式Rsa=(Ts-Ta)/P求得所需散热器的热阻值。也就是说,所选散热器的热阻等于或小于这个热阻值就行。


每个散热器都有它的特性曲线。图二即是挤压铝型材散热器DXC-548的特性曲线。曲线图表示了散热器长度、风速与热组的关系。从图可看到:1,风速超过6米/秒,热阻R下降不明显,风速再大意义不大;2,长度增加一倍热阻R下降不到一倍,在某范围作用较大(如图中50mm到200mm),到一定长度后,再加长意义不大(如图中300mm到400mm)。况且加长后对风的阻力加大,要保持原有风速就要加大风机的风压。此时要选择更大的散热器(端面周边边长更长)才能达到所需的热阻值。
如果上面公式计算得出要求用热阻R=0.1℃/瓦的散热器,那么从图中可见有两种选择,即曲线图中的M点和N点,就是200mm长,风速2.5米/秒或100mm长,风速5.5米/秒,一般设计时可在这范围内选择,比如150mm长,风速4米/秒以上,这样是比较经济的。
特性曲线从哪来呢?有两种来源:散热器制造厂提供,他们有专门试验台实际测试画出曲线如河北燕郊亚泰电子技术有限公司。也可用公式计算(见“电力电子“杂志2009年第六期“大功率半导体器件用散热器风冷热阻计算”)。必须说明,计算是科研、设计的一条腿,另一条腿科学试验是十分重要的。前者提供了一个选择范围的依据,后者可以对前者进行验证以便进行较为准确的修正。
电力电子器件散热的基本原理(3)——风冷散热器的结构
电力电子用风冷(或自冷)散热器由两部分组成:固定
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