1前言
現(xiàn)代電力電子產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于新能源?電能質(zhì)量?電動(dòng)汽車(chē)?充電樁?不間斷電源(UPS)?變流器?航空電源?醫(yī)療設(shè)備等?國(guó)內(nèi)電力電子技術(shù)雖起步較晚,但發(fā)展迅猛,為我國(guó)工業(yè)?礦產(chǎn)?能源?交通?醫(yī)療等不同行業(yè)提供了較為突出的貢獻(xiàn)?電力電子設(shè)備的可靠性需求?功率密度?性能指數(shù)等要求進(jìn)一步提高,更加精準(zhǔn)化?模塊化?智能化?大功率器件的發(fā)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(jī)器設(shè)備的可靠穩(wěn)定運(yùn)行?
2散熱器材質(zhì)?分類(lèi)?參數(shù)和應(yīng)用
2.1散熱器材質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)
就電力電子產(chǎn)品散熱器的材質(zhì)來(lái)說(shuō),每種材質(zhì)的導(dǎo)熱性能不同?按導(dǎo)熱性能從高到底排序,分別是銀?銅?鋁?鋼?銀的單價(jià)最貴,用銀做散熱器會(huì)非常昂貴,不可取;從材質(zhì)成本上鋁相對(duì)銅便宜很多,且密度僅為銅的三分之一,但其導(dǎo)熱性能約為銅的50%多,不如銅好;最優(yōu)方案是采用銅材質(zhì)?銅散熱器的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性好,但價(jià)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(xiàn)鋁合金材質(zhì),因?yàn)殇X合金能提供足夠的硬度,鋁合金的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉?重量輕,缺點(diǎn)是導(dǎo)熱性比銅差近一半?綜合來(lái)看,散熱器常用材質(zhì)選銅和鋁合金,兩者各有優(yōu)缺點(diǎn),單在鋁合金散熱器不能滿(mǎn)足散熱需求的時(shí)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(lèi)
從制造工藝來(lái)分類(lèi),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(shù)來(lái)分類(lèi),分為攪拌摩擦焊鋁劑拼接式散熱器?熱管鋁擠型散熱器?簡(jiǎn)單流道型的水冷板散熱器?復(fù)雜流道型的水冷板散熱器?
從散熱器的成本上來(lái)看,鋁擠型散熱器成本最低,但受限于擠型模具,其長(zhǎng)度和高度不能再變化,難以滿(mǎn)足多變場(chǎng)合?為迎合市場(chǎng),出現(xiàn)了1種攪拌摩擦焊技術(shù),就是攪拌摩擦焊拼接式鋁劑散熱器,其高度不變,長(zhǎng)度和寬度可以根據(jù)需求變化,其散熱能力有所提高,成本在鋁劑的基礎(chǔ)上稍有增加;從另一個(gè)角度看,插齒散熱器(基板上開(kāi)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(dá)110.0mm,齒間距最小可以做到2.0mm,這是鋁擠型散熱器難以滿(mǎn)足的,其成本和鋁劑散熱器差不多?優(yōu)點(diǎn)是長(zhǎng)度?寬度和高度有可調(diào)范圍,缺點(diǎn)是基板和齒片結(jié)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(qiáng)得多,用于鋁劑散熱器強(qiáng)制風(fēng)冷,無(wú)法滿(mǎn)足高功率發(fā)熱器件場(chǎng)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(tǒng),成本更高,適用在高IP等級(jí)?小體積?低噪聲?熱管散熱器不能滿(mǎn)足的場(chǎng)所?
2.3散熱器參數(shù)
熱路:是指由熱源出發(fā),向外傳播熱量的路徑?在每1個(gè)路徑上,必定經(jīng)過(guò)不同的介質(zhì)?其熱路中任意兩點(diǎn)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(dāng)有熱量在物體上傳輸時(shí),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?chē)橘|(zhì)的熱阻R?第1項(xiàng)由器件制造商設(shè)計(jì)制造決定,第2項(xiàng)很小,設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮第3項(xiàng)?為便于表述,以風(fēng)冷為例,在風(fēng)冷條件下,熱阻R由散熱器材質(zhì)的熱導(dǎo)率?散熱器與空氣接觸面面積?風(fēng)速這3個(gè)因素決定?在實(shí)際應(yīng)用中并不是“越大越好”,而是根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和合理選用,否則脫離實(shí)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(jié)構(gòu)圖?
散熱器其熱阻的選取通過(guò)如下步驟計(jì)算得到:
(1) 器件結(jié)溫與環(huán)溫溫差(簡(jiǎn)稱(chēng)結(jié)溫差)ΔTja?找出器件芯片最高溫度Tj,比如環(huán)境溫度Ta取40℃,設(shè)計(jì)余量為85%,即可算出器件的結(jié)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(shù)參數(shù),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(dǎo)熱硅脂填平不平處來(lái)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(huán)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(guò)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(shí),選熱阻等于或小于這個(gè)熱阻值即可滿(mǎn)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(shí),總熱阻可近似表示為RT≈Rjc+Rcs+Rsa,簡(jiǎn)化后總熱阻示意圖如圖3所示?
導(dǎo)熱率:又稱(chēng)導(dǎo)熱系數(shù)或熱導(dǎo)率,是指當(dāng)溫度垂直向下梯度為1℃/m時(shí),單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位水平截面?zhèn)鬟f的熱量?導(dǎo)熱率是材料本身的固有性能參數(shù),用于描述材料的導(dǎo)熱能力?它跟材料本身的大小?形狀?厚度都沒(méi)關(guān)系,只跟材料本身的成分有關(guān),常用材料導(dǎo)熱率參考表見(jiàn)表1?
從眾多參數(shù)看,散熱器熱阻是選擇散熱器的主要依據(jù)?結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)合,按照散熱器的工作條件(自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷)計(jì)算熱阻和器件功率,通過(guò)散熱器廠(chǎng)商提供的散熱器特性曲線(xiàn),曲線(xiàn)上查出的值小于計(jì)算值;再通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證,選取比較經(jīng)濟(jì)合理的散熱器?
2.4應(yīng)用舉例
以FAIRCHILDTO-247封裝IGBTFGH75T65SHD為例,計(jì)算所需散熱器的熱阻?IGBT最大結(jié)溫Tj=175℃,設(shè)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(huán)境溫度為50℃?
(1) 考慮設(shè)計(jì)余量,結(jié)溫按125℃,則結(jié)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(dá)1℃/W,ΔTcs=28℃?
(4) 散熱器到環(huán)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(jù)散熱器廠(chǎng)商的特性曲線(xiàn),選擇一款熱阻小于1.0286℃/W散熱器滿(mǎn)足案例?但僅僅通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)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(kuò)散?冷卻方式?空間限制?安裝位置等因素?
3散熱器的設(shè)計(jì)選型
散熱器設(shè)計(jì)主要工作就是根據(jù)產(chǎn)品總損耗功率P,設(shè)計(jì)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(shí)芯片的溫度不要高于器件的額定結(jié)溫Tj?需先根據(jù)選定電力電子器件的額定參數(shù)和工作特性,計(jì)算器件工作狀況下,工作結(jié)溫不超過(guò)元器件額定值時(shí)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(shè)計(jì)對(duì)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(shè)計(jì)散熱器時(shí),從這幾點(diǎn)考慮:
首先確定要散熱的電力電子器件,明確其工作參數(shù)?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?yàn)榘惭b空間的限制,散熱器主要依靠與空氣對(duì)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(huán)境因素?散熱器與功率器件的匹配情況以及整個(gè)電力電子設(shè)備的大小?重量等因素?
再次分析和計(jì)算熱路,由于影響因素較為復(fù)雜,可以忽略影響小的參數(shù),簡(jiǎn)化計(jì)算,但要注意影響趨勢(shì)的方向,是有利于傳熱的,可作為設(shè)計(jì)余量?jī)?chǔ)備,因影響小,不會(huì)影響經(jīng)濟(jì)性?
最后理論計(jì)算是設(shè)計(jì)指導(dǎo),結(jié)果以試驗(yàn)結(jié)論判定,埋點(diǎn)測(cè)溫是最有效的驗(yàn)證方式,理論計(jì)算結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn),最終設(shè)計(jì)出一款經(jīng)濟(jì)?合理?可靠的散熱器?
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