电力中的电子设备热效应分析及应用

1 引言

在风机变流器和光伏并网逆变器的整机设计中，主功率模块、电抗器及电阻的热设计是非常关键的。要保证上述元器件在许可的温度下正常工作运行，热量的分析及散热设计至关重要。本文通过对电力电子设备的热分析，能很好解决以上问题。

2热分析的目的

利用数学手段及通过计算机模拟，在设计阶段获得温度分布。在设计初期就能发现产品的热缺陷，从而改进其设计，建立一个满足可靠性要求的环境温度控制系统。也就是设计一个冷却系统，在热源至热沉之间提供一条低热阻通道，保证热量顺利传递出去。控制电子产品内部所有电子元器件的温度，使其在设备所处的工作环境条件下不超过最高允许温度，确保电子产品在规定的热环境下可靠工作。

3 热设计的核心

设计一个冷却系统，在热源至热沉之间提供一条低热阻通道，保证热量顺利传递出去。

温度对电子产品可靠姓影响极大，尤其对半导体器件最为敏感，如下图所示，几乎所有电子元器件参数都与温度有关。

图 1 电子元器件故障率与温度的关系

4 热设计的基本要求

电子产品热设计应首先根据设备的可靠性指标及设备所处的环境条件确定热设计目标，热设计目标一般为设备内部元器件允许的最高温度，根据热设计目标及设备的结构、体积、重量等要求进行热设计，主要包括冷却方法的选择、元器件的安装与布局、印制电路板、电阻、电抗器、变压器、模块散热结构的设计和机箱散热结构的设计。

电子设备的热设计要与电路设计和结构设计同时进行，满足设备可靠性的要求。

热设计与维修性设计相结合，可提高设备的可维修性。

5 热设计中术语的定义
⑴ 热特性：设备或元器件的温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。
⑵ 热流密度：单位面积的热流量。
⑶ 热阻：热量在热流路径的阻力。
⑷ 内热阻：元器件内部发热部位与表面某部位之间的热阻。
⑸ 安装热阻：元器件与安装表面之间的热阻，又叫界面热阻。
⑹ 温度稳定：温度变化率不超过每小时2℃时，称为温度稳定。
⑺ 温度梯度：等温面的法向方向上单位距离所引起的温度增量定义为温度梯度。
⑻ 紊流器：提高流体流动紊流程度并改善散热效果的装置。
⑼ 热沉：是一个无限大的热容器，其温度不随传递到它的热能大小而变化。它也可能是大地、大气、大体积的水或宇宙，又称热地。

6 热传递的三种方式

传热的基本形式有传导、对流和热辐射三种。

⑴ 传导散热是指物体直接接触时，能量交换的现象。在不同的物体中，其导热机理各不相同，在非导电固体和液体中，主要依靠物体内部分子运动的弹性波在传递热量。在金属导体中，主要依靠自由电子的运动传递能量。因此，导电性能好的材料，其导热性能也好，气体的导热主要依靠分子的不规则运动传递能量。传导散热量计算如下：
Q=KA△t/L （1）
式中：
Q——传导散热量，W
K——导热系数，W/m·℃
A——导体横截面积，m2
△——传热路径两端温差，℃
L——传热路径长度，m


⑵ 对流换热是流体流过固体壁面时的一种能量交换现象，它与流体的宏观运动密切相关，而且与流体的物理性质以及换热面的几何形状，放置位置等因素有关。在具体研究或计算对流换热时，应注意计算用的准则方程的限制条件。对流散热量计算如下：
Q=hA△t （2）
式中：
Q——对流散热量，W
h——换热系数，W/m2·℃
A——有效换热面积，m2
△t——换热表面与流体温差，℃

⑶ 热辐射是靠电磁波传递能量的一种现象。在传递过程中，有能量形式的转换，即热能变成辐射能，被物体吸收后，又变成热能。热辐射不需要介质，在真空中热辐射最强，故外层空间的飞行器表面利用辐射换热较为有利。辐射散热量计算如下：
Q= · ·T4 （3）
式中：
Q——辐射散热量，W
——散热表面辐射率，W/m2·℃
σ——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-8(W/m2K4)
T——绝对温度，K

电子设备热传递的三种方式如图2所示。

图2 电子设备热传递方式

7 热设计应考虑的因素
⑴ 工作过程中，功率元件耗散的热量。
⑵ 设备周围的工作环境，通过导热、对流和辐射的形式，将热量传递给电子设备。
⑶ 设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温。
⑷ 环境温度和压力（或高度）的极限值。
⑸ 环境温度和压力（或高度）的变化率。
⑹ 太阳或周围物体的辐射热。
⑺ 可利用的热沉（包括：种类、温度、压力和湿度）。

8 热设计的详细步骤
⑴确定设备(或元器件)的散热面积、散热器或周围空气的极值环境温度范围。
⑵确定冷却方式。
⑶对少量关键发热元器件进行应力分析，确定其最高允许温度和功耗，并对其失效率加以分析。
⑷按器件和设备的组装形式，计算热流密度。
⑸由器件内热阻(查器件手册)确定其最高表面温度。
⑹确定器件表面到散热器或空气的总热阻。
⑺根据热流密度等因素对热阻进行分析与分配，并对此加以评估，确定传热方法和冷却技术。
⑻选定散热方案。