來源：中國知網(wǎng)
近些年來,隨著我國電力電子設備應用范圍的不斷擴展以及功能發(fā)展的多樣化,促使我國電力電子設備在應用發(fā)展方面邁入了全新的功能應用階段?結(jié)合實際應用經(jīng)驗來看,當處于高溫環(huán)境條件時,電力電子設備常常會受到自身結(jié)構(gòu)因素的影響,在散熱問題方面表現(xiàn)較為突出?目前,為進一步加強對電力電子器件及其裝置的散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究,研究人員主張立足于電力電子器件熱耗情況,對其涉及到的工作模式進行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理研究?并采取科學合理的熱設計手段,延長航天器等電子產(chǎn)品的應用壽命?由此不難看出,如何加強電力電子器件及其裝置散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計,儼然成為當前行業(yè)內(nèi)部亟待解決的工作問題?針對于此,研究人員應該立足于當前技術(shù)發(fā)展動態(tài),采取科學合理的措施,加強對電力電子器件及其裝置散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計力度,以確保電力電子器件及其裝置的功能優(yōu)勢得以發(fā)揮出來?
1多芯片組件(MCM)熱優(yōu)化設計現(xiàn)狀及問題分析
所謂的多芯片組件主要是指將多個半導體集成電路元件,以裸芯片的方式搭載于不同類型的布線板當中?并在此基礎上,科學利用微焊接以及封裝工藝等實現(xiàn)整體封裝過程,確保電子部件及整機運行功能需求得以滿足?結(jié)合當前多芯片組件技術(shù)的發(fā)展情況來看,經(jīng)過多年的研究與發(fā)展,多芯片組件基本上已經(jīng)演變成為電力電子器件組裝技術(shù)的一種表現(xiàn)形式?結(jié)合實際應用反饋情況來看,電力電子器件通過合理應用多芯片組件技術(shù),不僅可以提高系統(tǒng)整體的運行性能,同時還可以加強系統(tǒng)整體的運行可靠性,具有重要的應用價值?
最重要的是,多芯片組件工藝與傳統(tǒng)單芯片封裝工藝相比較而言,可在一定程度上提高電路單位體積內(nèi)的集成度,利于促進電子設備高速化以及輕量化的發(fā)展?但是結(jié)合當前應用發(fā)展情況來看,隨著多芯片組件單位體積內(nèi)功耗問題的不斷加大,芯片熱失效與熱退化現(xiàn)象逐漸明顯?究其原因,主要是因為多芯片組件結(jié)構(gòu)設計缺乏合理性,至系統(tǒng)工作時所產(chǎn)生的熱量無法及時向周圍環(huán)境散發(fā)出去,進而形成局部熱點明顯或者內(nèi)外溫度差較大的問題?
再加上工作人員對于多芯片組件多層材料的選擇缺乏合理性,導致多芯片各層材料在熱膨脹系數(shù)方面存在較大的差異性問題,容易對電力電子器件性能造成惡化影響?為進一步加強對多芯片組件的熱管理力度,工作人員應該對多芯片組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素問題進行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理設計?最好可以立足于多芯片組件的應用功能,從強迫風冷散熱系統(tǒng)方面入手,明確強迫風冷散熱系統(tǒng)的關(guān)鍵設計內(nèi)容?并結(jié)合穩(wěn)態(tài)熱設計要求,提高電力電子器件及其裝置的散熱能力?
2電力電子器件及其裝置的散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計分析
2.1強迫風冷散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱設計優(yōu)化內(nèi)容
目前我國多數(shù)電子設備在冷卻系統(tǒng)的選擇方面多以強迫風冷散熱系統(tǒng)為主?一般來說,強迫風冷散熱系統(tǒng)在組成部件方面主要以風扇與散熱器為主?其中風冷過程主要是借助風扇轉(zhuǎn)動作用,促使散熱器肋片間存在的冷卻空氣逐漸向電子設備熱量范圍內(nèi)拓展,達到散熱的效果?在散熱系統(tǒng)設計內(nèi)容的方面,工作人員需要從散熱風扇選型以及散熱器結(jié)構(gòu)設計等方面進行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理部署?在具體設計過程中,強迫風冷散熱系統(tǒng)設計的關(guān)鍵要點主要可以放在如何準確計算風扇實際工作時間的參數(shù)點數(shù)據(jù)當中?
客觀角度上來看,風扇工作點主要是與散熱系統(tǒng)中的散熱性所產(chǎn)生的特性曲線相關(guān),同時也與風扇自身的特性曲線相關(guān)?因此在正式研究與設計過程中,工作人員應該從散熱器機械結(jié)構(gòu)影響角度對散熱器特性曲線問題進行研究與分析?與此同時,在風機工作點風量確定以及散熱系統(tǒng)壓降工作結(jié)束之后,工作人員可以利用熱阻等效電路方法,對當前電力電子器件實際工作的結(jié)溫問題進行計算分析?根據(jù)實際計算分析反饋結(jié)果來看,器件結(jié)溫以及散熱器結(jié)構(gòu)等往往會對強迫風冷散熱設計效果產(chǎn)生至關(guān)重要的影響,工作人員必須予以重點把握?為進一步加強強迫風冷散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱設計優(yōu)化效果,工作人員應該對電力電子器件的損耗問題予以高度重視?一般來說,電力電子器件溫升產(chǎn)生的熱量主要是源于通電工作期間產(chǎn)生的功率損耗問題?當功率損耗問題過于嚴重時,器件結(jié)溫與表面溫度會急劇升高,嚴重時甚至會造成器件損壞問題?而通過利用穩(wěn)態(tài)熱設計優(yōu)化方法,可以促使散熱系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)熱平衡狀態(tài)?因此想要弄清器件的溫升問題,我們應該對電力電子器件工作過程中涉及到的功率損耗問題進行研究分析?
在具體操作過程中,工作人員可以利用有限元軟件進行仿真分析,并根據(jù)分析反饋結(jié)果對強迫風冷散熱系統(tǒng)的設計方法內(nèi)容進行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理部署?在此基礎上,針對大功率電子設備強迫風冷散熱器的熱阻問題進行研究分析?最好可以利用熱阻等效電路計算方法對強迫風冷散熱系統(tǒng)的設計內(nèi)容進行反饋分析?除此之外,在熱阻計算方法的優(yōu)化設計方面,建議工作人員可以根據(jù)電力電子器件及其裝置的散熱需求進行科學優(yōu)化,以期可以為總體散熱效果提供良好保障?
2.2瞬態(tài)熱響應特性優(yōu)化設計內(nèi)容
強迫風冷散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱設計工作雖然可以集中反映出電力電子器件整個工作過程的平均結(jié)溫情況,但是在實際應用方面,只能反映出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時各點的溫升,無法客觀地描述出電力電子器件在實際工作中的周期性開關(guān)狀態(tài)以及瞬時結(jié)溫情況?為確保電力電子器件瞬態(tài)最高結(jié)溫不超過安全規(guī)定范圍,我們有必要構(gòu)建散熱系統(tǒng)瞬態(tài)熱分析模型,針對系統(tǒng)瞬態(tài)熱問題進行合理分析,并按照相應的計算原則對任意時刻的結(jié)溫問題進行合理計算?
與此同時,所構(gòu)建的散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱模型應該立足于熱平衡條件情況,對于器件斷電后散熱器冷卻過程所產(chǎn)生的散熱能力情況進行明確研究與分析?需要注意的是,在構(gòu)建強迫風冷散熱系統(tǒng)瞬態(tài)熱分析模型期間,工作人員應該立足于散熱系統(tǒng)動態(tài)響應特點,對于散熱系統(tǒng)任意時刻表面溫度的計算方法進行動態(tài)分析,促使散熱系統(tǒng)設計工作可以更加合理性與全面性?
2.3強迫風冷散熱系統(tǒng)的熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計內(nèi)容
為確保散熱系統(tǒng)可以滿足小型化與輕量化發(fā)展目標,我們有必要對散熱系統(tǒng)熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計問題進行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理部署?其中,以散熱系統(tǒng)熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計為首的方法措施,基本上可以視為確保強迫風冷散熱系統(tǒng)熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計效果的重要保障?一般來說,散熱系統(tǒng)熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計主要以散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)為主要依據(jù)?與此同時,利用散熱風扇的特性參數(shù)作為目標函數(shù)的設計變量?并在此基礎上,對環(huán)境熱阻以及散熱系統(tǒng)的壓降問題進行研究分析,以確保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體散熱效果得以達到預期?在具體設計過程中,工作人員應該從電子設備結(jié)構(gòu)以及風扇風壓等因素方面對散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)問題進行合理確定?
最好可以在安全可靠的范圍內(nèi)實現(xiàn)散熱系統(tǒng)壓力損失與重量的最小化?必要時也可以利用熱力學第二定律的最小熵產(chǎn)原理,減少熱動力學損失問題?以組合型矩形翅片散熱器為例,在優(yōu)化設計過程中,應該對幾何參數(shù)及散熱風扇的特性參數(shù)進行合理確定,并將其視為設計變量,對強迫風冷散熱系統(tǒng)整體進行熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化?對強迫風冷散熱系統(tǒng)進行熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計?根據(jù)設計反饋情況來看,這種設計方法不僅可以全方面加強散熱系統(tǒng)的運行功能,同時還可以加強電力電子器件及其裝置的運行質(zhì)量?
3結(jié)論
本文在電力電子器件及其裝置散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的研究分析方面,主要利用多芯片組件熱優(yōu)化設計原理,對電力電子器件及其裝置散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題進行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理設置?并在此基礎上,嚴格按照優(yōu)化設計指導原則,對強迫風冷散熱器的熱阻等效電路問題進行研究分析?根據(jù)分析反饋結(jié)果來看,利用熱阻等效電路方法基本上可以加強熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計效果?與此同時,進一步對強迫風冷散熱系統(tǒng)熱穩(wěn)態(tài)設計問題?瞬態(tài)熱響應特性優(yōu)化設計問題以及熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計問題進行了總結(jié)與歸納?總體來看,通過合理應用上述方法措施,基本上可以達到優(yōu)化電力電子器件及其裝置散熱效果的目的,具有重要的實行意義?
