基于热阻基础上的电力电子系统热设计

杨颖

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、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：

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，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，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=▽U=0，表明流入和流出热量处于相等状态；瞬态热分析如下：q=Du/dt，表示流入和流出热传递数量与系统内能为相等状态。分驗证传热计算的正确性就是判定热量是否满足热平衡方程。热平衡能力守恒程序部分代码为：

POST1 //进入后处理；

SET，LAST //读取最后一步结果；

*GET，NMAX，NODE，NuM，MAX //获取模型的最大节点号；

*GET，NUMBER，NODE，COUNT //获取节点数；

*IF，NSEL（K_B），EQ，1，THEN //判定本节点是否选中；

*GET，S，NODE，K_B，ABS（HFLU） //若是将该节点的HFLU赋给变量S；

*SET，SUM，SUM+S

*ENDDO.

2.3 发热零组件

挑选发热零组件时，应充分考虑各组件实施组装是接触外部结构的散热装置，例如：散热片、导热胶等。必须注意，发热零件或设计的模块不同，在单位时间内其散热量也有所差异，导致各组件进行构装时均存在一定距离，待系统电源有所稳定后，热传导方可达到热平衡效果。环境温度不管是自然或强制对流，如果外部散热系数增加，热阻值变小。

3 分析直流-直流电源模块热设计

目前，直流-直流模块电源广泛用在传输、交换、数据等通信和监控设备内容，如何提出高質量、可靠性高、低成本的电源来提升产品竞争力，成为每个业界人士重点关注的课题，为适应市场对电源性能提出的高要求，以热阻为基础进行热设计尤为重要。在对直-直流模块展开设计时，优秀设计者从低压大电流、高效率、宽输入范围等要求内，尽可能满足客户对电源效能的期望和需求。

3.1 选用分布式电源

分布式与集中式电源概念有所差异，前者进行设计透过前端电源，提出由直流埠分配至不同直-直流模块的电源管理方法，这种设计可有效分散热源并对其实施优化处理。设计者必须注意不要让个别供电超过最大功率值，使用者要保障整个系统设计的功率不超过系统设定上限，检验电源供应器设计的建议功率值。

3.2 散热问题

想要移除直-直流模块内变压器所产生的热，主要使用风扇冷却或增设散热片空气对流等方法达到散热的目的。不得不说，上述两种散热方法均有一定限制。部分变压器因受到铁芯外露、材料等方面的影响，促使散热片尺寸增加。此时，系统中发热零件产生的热能主要集中在某个区域内也是困难所在。

4 结论

总之，热设计射界物理学、化学、环境学、传热学等多学科知识，一个优秀的热设计师必须掌握热设计基本理论及相关知识，从系统、单元、模块至元器件、材料等进行综合分析和设计，如果一个环节失控，就无法达到预想的设计效果。因此，文中根据热阻对电力电子系统进行热设计，以期为从事热设计人员一些启发和引导。

参考文献

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[3]张娅妮，胡清.某机载电子设备热设计[J].现代电子技术，2013，36（03）：151-153，157.

作者单位

广东省高州农业学校 广东省高州市 525200