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展的多樣化,促使我國電力電子設備在應用發展方面邁入了全新的功能應用階段?結合實際應用經驗來看,當處于高溫環境條件時,電力電子設備常常會受到自身結構因素的影響,在散熱問題方面表現較為突出?目前,為進一步加強對電力電子器件及其裝置的散熱結構優化研究,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籌規劃與合理研究?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構的優化設計,儼然成為當前行業內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發展動態,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構的優化設計力度,以確保電力電子器件及其裝置的功能優勢得以發揮出來?
1多芯片組件(MCM)熱優化設計現狀及問題分析
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?結合當前多芯片組件技術的發展情況來看,經過多年的研究與發展,多芯片組件基本上已經演變成為電力電子器件組裝技術的一種表現形式?結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,不僅可以提高系統整體的運行性能,同時還可以加強系統整體的運行可靠性,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的集成度,利于促進電子設備高速化以及輕量化的發展?但是結合當前應用發展情況來看,隨著多芯片組件單位體積內功耗問題的不斷加大,芯片熱失效與熱退化現象逐漸明顯?究其原因,主要是因為多芯片組件結構設計缺乏合理性,至系統工作時所產生的熱量無法及時向周圍環境散發出去,進而形成局部熱點明顯或者內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部結構以及結構參數等因素問題進行統籌規劃與合理設計?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方面入手,明確強迫風冷散熱系統的關鍵設計內容?并結合穩態熱設計要求,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構優化設計分析
2.1強迫風冷散熱系統穩態熱設計優化內容
目前我國多數電子設備在冷卻系統的選擇方面多以強迫風冷散熱系統為主?一般來說,強迫風冷散熱系統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拓展,達到散熱的效果?在散熱系統設計內容的方面,工作人員需要從散熱風扇選型以及散熱器結構設計等方面進行統籌規劃與合理部署?在具體設計過程中,強迫風冷散熱系統設計的關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點數據當中?
客觀角度上來看,風扇工作點主要是與散熱系統中的散熱性所產生的特性曲線相關,同時也與風扇自身的特性曲線相關?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構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壓降工作結束之后,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溫問題進行計算分析?根據實際計算分析反饋結果來看,器件結溫以及散熱器結構等往往會對強迫風冷散熱設計效果產生至關重要的影響,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穩態熱設計優化效果,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生的熱量主要是源于通電工作期間產生的功率損耗問題?當功率損耗問題過于嚴重時,器件結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?而通過利用穩態熱設計優化方法,可以促使散熱系統達到穩態熱平衡狀態?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,并根據分析反饋結果對強迫風冷散熱系統的設計方法內容進行統籌規劃與合理部署?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的設計內容進行反饋分析?除此之外,在熱阻計算方法的優化設計方面,建議工作人員可以根據電力電子器件及其裝置的散熱需求進行科學優化,以期可以為總體散熱效果提供良好保障?
2.2瞬態熱響應特性優化設計內容
強迫風冷散熱系統穩態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溫情況,但是在實際應用方面,只能反映出系統穩態時各點的溫升,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狀態以及瞬時結溫情況?為確保電力電子器件瞬態最高結溫不超過安全規定范圍,我們有必要構建散熱系統瞬態熱分析模型,針對系統瞬態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溫問題進行合理計算?
與此同時,所構建的散熱系統穩態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,在構建強迫風冷散熱系統瞬態熱分析模型期間,工作人員應該立足于散熱系統動態響應特點,對于散熱系統任意時刻表面溫度的計算方法進行動態分析,促使散熱系統設計工作可以更加合理性與全面性?
2.3強迫風冷散熱系統的熱-結構優化設計內容
為確保散熱系統可以滿足小型化與輕量化發展目標,我們有必要對散熱系統熱結構優化設計問題進行統籌規劃與合理部署?其中,以散熱系統熱結構優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熱-結構優化設計效果的重要保障?一般來說,散熱系統熱-結構優化設計主要以散熱器結構參數為主要依據?與此同時,利用散熱風扇的特性參數作為目標函數的設計變量?并在此基礎上,對環境熱阻以及散熱系統的壓降問題進行研究分析,以確保系統結構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構以及風扇風壓等因素方面對散熱器的結構參數問題進行合理確定?
最好可以在安全可靠的范圍內實現散熱系統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,在優化設計過程中,應該對幾何參數及散熱風扇的特性參數進行合理確定,并將其視為設計變量,對強迫風冷散熱系統整體進行熱結構優化?對強迫風冷散熱系統進行熱結構優化設計?根據設計反饋情況來看,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量?
3結論
本文在電力電子器件及其裝置散熱結構優化問題的研究分析方面,主要利用多芯片組件熱優化設計原理,對電力電子器件及其裝置散熱結構優化問題進行統籌規劃與合理設置?并在此基礎上,嚴格按照優化設計指導原則,對強迫風冷散熱器的熱阻等效電路問題進行研究分析?根據分析反饋結果來看,利用熱阻等效電路方法基本上可以加強熱結構優化設計效果?與此同時,進一步對強迫風冷散熱系統熱穩態設計問題?瞬態熱響應特性優化設計問題以及熱-結構優化設計問題進行了總結與歸納?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?
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