1前言

現代電力電子產品已廣泛應用于新能源?電能質量?電動汽車?充電樁?不間斷電源(UPS)?變流器?航空電源?醫療設備等?國內電力電子技術雖起步較晚,但發展迅猛,為我國工業?礦產?能源?交通?醫療等不同行業提供了較為突出的貢獻?電力電子設備的可靠性需求?功率密度?性能指數等要求進一步提高,更加精準化?模塊化?智能化?大功率器件的發熱就是重中之重,散熱器的熱交換必然成為重要的手段,直接影響機器設備的可靠穩定運行?

2散熱器材質?分類?參數和應用

2.1散熱器材質的優缺點

就電力電子產品散熱器的材質來說,每種材質的導熱性能不同?按導熱性能從高到底排序,分別是銀?銅?鋁?鋼?銀的單價最貴,用銀做散熱器會非常昂貴,不可取;從材質成本上鋁相對銅便宜很多,且密度僅為銅的三分之一,但其導熱性能約為銅的50%多,不如銅好;最優方案是采用銅材質?銅散熱器的優點是導熱性好,但價格較貴?加工難度較高?密度較大?熱容量較小且易被氧化?而使用純鋁又太軟,不能直接使用,于是呈現鋁合金材質,因為鋁合金能提供足夠的硬度,鋁合金的優點是價格低廉?重量輕,缺點是導熱性比銅差近一半?綜合來看,散熱器常用材質選銅和鋁合金,兩者各有優缺點,單在鋁合金散熱器不能滿足散熱需求的時候,就在鋁合金散熱器底座上嵌入一片銅板?

2.2散熱器分類

從制造工藝來分類,分為鋁擠型散熱器?嵌銅鋁擠型散熱器?鏟齒型散熱器?插齒型散熱器;從制造技術來分類,分為攪拌摩擦焊鋁劑拼接式散熱器?熱管鋁擠型散熱器?簡單流道型的水冷板散熱器?復雜流道型的水冷板散熱器?

從散熱器的成本上來看,鋁擠型散熱器成本最低,但受限于擠型模具,其長度和高度不能再變化,難以滿足多變場合?為迎合市場,出現了1種攪拌摩擦焊技術,就是攪拌摩擦焊拼接式鋁劑散熱器,其高度不變,長度和寬度可以根據需求變化,其散熱能力有所提高,成本在鋁劑的基礎上稍有增加;從另一個角度看,插齒散熱器(基板上開槽,插入齒片,擠刀施力使基板變形,鉚緊齒片在基板上)的齒片厚度可以是0.6~2.0mm,齒片高度最大可以達110.0mm,齒間距最小可以做到2.0mm,這是鋁擠型散熱器難以滿足的,其成本和鋁劑散熱器差不多?優點是長度?寬度和高度有可調范圍,缺點是基板和齒片結合處有熱阻?

從散熱功效看,熱管散熱器和水冷板散熱器的散熱能力都比鋁劑散熱器強得多,用于鋁劑散熱器強制風冷,無法滿足高功率發熱器件場合,但其加工成本也偏高,而水冷板散熱器需要額外水冷系統,成本更高,適用在高IP等級?小體積?低噪聲?熱管散熱器不能滿足的場所?

2.3散熱器參數

熱路:是指由熱源出發,向外傳播熱量的路徑?在每1個路徑上,必定經過不同的介質?其熱路中任意兩點之間的溫度差,都等于器件的功率乘以熱阻,像電路中的歐姆定律,與電路等效?

熱阻:指的是當有熱量在物體上傳輸時,在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值,即R=(Tb-Ta)/P?熱阻由3部分熱阻疊加:①芯片到器件外殼的熱阻;②器件外殼到散熱器的熱阻;③散熱器到周圍介質的熱阻R?第1項由器件制造商設計制造決定,第2項很小,設計時只需考慮第3項?為便于表述,以風冷為例,在風冷條件下,熱阻R由散熱器材質的熱導率?散熱器與空氣接觸面面積?風速這3個因素決定?在實際應用中并不是“越大越好”,而是根據需要進行設計和合理選用,否則脫離實際,造成成本上升或體積變大?圖1是電力電子器件與散熱器結構圖?

散熱器其熱阻的選取通過如下步驟計算得到:

(1) 器件結溫與環溫溫差(簡稱結溫差)ΔTja?找出器件芯片最高溫度Tj,比如環境溫度Ta取40℃,設計余量為85%,即可算出器件的結溫差ΔTja=Tj×85%?Ta?

(2) 器件芯片到外殼的溫差ΔTjc?查制造商器件的技術參數,算出芯片到器件外殼的溫差ΔTjc=Tj-Tc=P×Rjc?

(3) 器件到散熱器的溫差ΔTcs?因器件與散熱器固定的平面是不平的,需涂抹導熱硅脂填平不平處來減少接觸熱阻,使得兩者間的溫差較小ΔTcs=Tc?Ts?

(4) 散熱器到環境溫度溫差ΔTsa?由公式ΔTja=ΔTjc+ΔTcs+ΔTsa,從而得出ΔTsa=ΔTja?(ΔTjc+ΔTcs)?

(5) 求散熱器的熱阻Rsa?由ΔTsa=(Ts?Ta),通過公式Rsa=(Ts?Ta)/P=ΔTsa/P,即可求得散熱器所需的熱阻值?散熱器選取時,選熱阻等于或小于這個熱阻值即可滿足需要?

圖2為總熱阻示意圖,同電阻電路等效,由于Rca?Rcs+Rsa,所以在選擇有散熱器時,總熱阻可近似表示為RT≈Rjc+Rcs+Rsa,簡化后總熱阻示意圖如圖3所示?

導熱率:又稱導熱系數或熱導率,是指當溫度垂直向下梯度為1℃/m時,單位時間內通過單位水平截面傳遞的熱量?導熱率是材料本身的固有性能參數,用于描述材料的導熱能力?它跟材料本身的大小?形狀?厚度都沒關系,只跟材料本身的成分有關,常用材料導熱率參考表見表1?

從眾多參數看,散熱器熱阻是選擇散熱器的主要依據?結合應用場合,按照散熱器的工作條件(自然冷卻和強迫風冷)計算熱阻和器件功率,通過散熱器廠商提供的散熱器特性曲線,曲線上查出的值小于計算值;再通過測試驗證,選取比較經濟合理的散熱器?

2.4應用舉例

以FAIRCHILDTO-247封裝IGBTFGH75T65SHD為例,計算所需散熱器的熱阻?IGBT最大結溫Tj=175℃,設在案例中使用功耗為28W,芯片到外殼的熱阻最大為0.65℃/W,環境溫度為50℃?

(1) 考慮設計余量,結溫按125℃,則結溫差ΔTja=Tj?Ta=125?50=75℃?

(2) IGBT芯片到器件外殼的溫差ΔTjc=Tj?Tc=P×Rjc=28×0.65=18.2℃?

(3) 器件到散熱器的溫差ΔTcs,因IGBT和散熱器之間要絕緣,加云母片,熱阻可以達1℃/W,ΔTcs=28℃?

(4) 散熱器到環境溫度溫差ΔTsa=ΔTja?(ΔTjc+ΔTcs)=75?18.2?28=28.8℃?

(5) 散熱器的熱阻Rsa=ΔTsa/P=28.8/28=1.0286℃/W?

根據散熱器廠商的特性曲線,選擇一款熱阻小于1.0286℃/W散熱器滿足案例?但僅僅通過簡單計算熱阻確定選擇散熱器是不夠的,還必須綜合考慮IGBT器件在模型中的熱量擴散?冷卻方式?空間限制?安裝位置等因素?

3散熱器的設計選型

散熱器設計主要工作就是根據產品總損耗功率P,設計一款適合熱阻的散熱方式,選擇一款適宜的散熱器,保證器件工作時芯片的溫度不要高于器件的額定結溫Tj?需先根據選定電力電子器件的額定參數和工作特性,計算器件工作狀況下,工作結溫不超過元器件額定值時的接觸熱阻和散熱器的熱阻,合理選用和安裝散熱器?散熱器的設計對于不同的功率器件,其方式雷同,只是不同功率器件的功率和總損耗功率不同?

設計散熱器時,從這幾點考慮:

首先確定要散熱的電力電子器件,明確其工作參數?工作條件?尺寸大小?安裝方式,選散熱器的底板大小比元器件安裝面略大一些即可,因為安裝空間的限制,散熱器主要依靠與空氣對流散熱,超出與器件接觸面的散熱器,其散熱效果隨著與器件距離的增加而遞減?

其次選擇合適的散熱器還要考慮環境因素?散熱器與功率器件的匹配情況以及整個電力電子設備的大小?重量等因素?

再次分析和計算熱路,由于影響因素較為復雜,可以忽略影響小的參數,簡化計算,但要注意影響趨勢的方向,是有利于傳熱的,可作為設計余量儲備,因影響小,不會影響經濟性?

最后理論計算是設計指導,結果以試驗結論判定,埋點測溫是最有效的驗證方式,理論計算結合實際實驗,最終設計出一款經濟?合理?可靠的散熱器?

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