2022年电力电子器件散热的基本原理 .pdf

1 电力电子器件散热的基本原理(1) 热传导中的“热阻”概念散热的基本原理一个工作中的电力电子器件由于种种原因本身要发热。如何驱散掉这些热呢?人们发明了“散热器”，实际上它是一种热交换器。把器件的发热面与散热器平面紧贴一起，热就从器件传到温度较低的散热器上，然后通过流动的空气、水或其他介质吸收散热器上的热并把它带走。 此时， 我们可以看到存在着一条热流通道，它是从热源发热的器件芯片开始到带走热的介质为止。如果在这条热流通道中固体部分用的是高导热系数材料、流体部分又是热容高的材料， 那么热就散的快， 也就是热流遇到的阻力小。这里提出了一个 “热阻”概念。如用 R表示：热阻： R= (Td - Ta)/P Td 是发热点d 点温度、 Ta 是周围流动介质a 点温度、 P是发热点的发热功率。在此，热流是由d 点向 a 点流动， Td Ta ，此时 R即为 d 点到 a 点热阻。在电力电子器件中，设芯片温度为：Tj 、流动介质温度为Ta 热阻： Rja = (Tj - Ta)/P 当 Ta为一定，发热功率P恒定时 , 热阻 Rja 越小，芯片温度Tj 也越小。Rj-a 由三部分热阻叠加。，芯片到器件外壳， 热阻为 Rjc; ，由器件外壳到散热器，热阻为 Rcs; ，散热器到周围介质，热阻为Rsa Rja = Rjc + Rcs + Rsa 第一项由器件制造者设计决定，第二项很小，装置设计者要考虑的就是第三项：Rsa 为叙述方便，先从强迫空气冷却( 风冷 ) 说起。在风冷条件下Rsa 由以下几个因素决定：，散热器材质的热导率越大越好; ，散热器与空气接触面面积越大越好; ，风速大比小好; 但要注意的是： 风机吹出的风是流体， 同样遵循流体运动原理。即前方阻力小风速就大，流量增大 ;前方阻力大，风速就小，流量减小，有如并联电路的欧姆定律。所以不能用减小散热片的间距多加翅片，来单纯达到加大散热器的表面积的效果。因为间距一小， 空气阻力增加，风在间隙处很难进去。此时，如在散热器周边没有阻挡物，大量的风就从周边通过。间隙内的风速很小，风量也不大，达不到冷却的目的。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 14 页2 电力电子器件散热的基本原理(2) 风冷散热器选用基础电力电子器件散热的基本原理(1) 中提出在风冷条件下决定Rsa 的三个因素只是定性分析。实际使用中并不是“越大越好”，而是根据需要进行设计和合理选用，否则会脱离实际，成本也会因此上升或体积变得很大。为此，散热器的选择可按以下步骤进行：1，Tj ，即器件芯片温度。每一种电力电子器件的国家质量标准都有明确规定。如晶闸管 Tj 的允许最高温度为125，考虑到设计余量， 按 85% 取，即 107。流动介质的温度( 环境温度 )Ta 通常取 40。它们之间温差( 又称芯片结温升): Tja = Tj - Ta = 107 - 40 = 67 2， Rjc由电力电子器件制造单位在该器件的技术参数表中给出，由它算出芯片与器件外壳的温差：Tjc = Tj - Tc = P Rjc,一般小于15。3，Rcs 常称器件与散热器的接触热阻。因器件与散热器固定的平面不平而引起，采取涂抹导热硅脂填平不平处后，此热阻值会大幅下降。两者之间的温差Tcs = Tc - Ts一般小于 5。Tja = Tjc + Tcs + Tsa Tsa = (Ts - Ta) = Tja -(Tjc + Tcs)= 67 -(15+5)= 47 通过公式 Rsa = (Ts - Ta)/P求得所需散热器的热阻值。也就是说，所选散热器的热阻等于或小于这个热阻值就行。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 14 页3 每个散热器都有它的特性曲线。图二即是挤压铝型材散热器DXC-548的特性曲线。 曲线图表示了散热器长度、风速与热组的关系。从图可看到：1，风速超过6 米/ 秒，热阻 R下降不明显，风速再大意义不大;2 ，长度增加一倍热阻R下降不到一倍，在某范围作用较大( 如图中 50mm 到 200mm) ，到一定长度后，再加长意义不大( 如图中 300mm 到 400mm) 。况且加长后对风的阻力加大，要保持原有风速就要加大风机的风压。此时要选择更大的散热器( 端面周边边长更长 ) 才能达到所需的热阻值。如果上面公式计算得出要求用热阻 R = 0.1/ 瓦的散热器，那么从图中可见有两种选择，即曲线图中的M点和 N点，就是200mm 长，风速2.5 米/ 秒或 100mm 长，风速5.5 米/秒，一般设计时可在这范围内选择，比如 150mm 长，风速 4 米/ 秒以上， 这样是比较经济的。特性曲线从哪来呢?有两种来源：散热器制造厂提供，他们有专门试验台实际测试画出曲线如河北燕郊亚泰电子技术有限公司。也可用公式计算( 见“电力电子 “杂志 2009 年第六期“大功率半导体器件用散热器风冷热阻计算”) 。必须说明， 计算是科研、 设计的一条腿，另一条腿科学试验是十分重要的。前者提供了一个选择范围的依据，后者可以对前者进行验证以便进行较为准确的修正。电力电子器件散热的基本原理(3) 风冷散热器的结构电力电子用风冷(或自冷 )散热器由两部分组成：固定器件的导热平面(又称底板 )和翅片。使用材料主要是铝和铜以及它们的合金。结构设计花样很多， 主要有下面四种， 简单介绍如下：1、挤压铝型材式(见图一 )。采用建筑用铝型材加工工艺，即把合金铝锭用热挤压办法通过模具挤压加工成型。其优点是加工后材质均匀致密，外形尺寸一致。 为提高散热效率可通过氧化、着色工艺增加热辐射，同时提高表面抗腐蚀能力。缺点是受加工工艺限制，散热器总宽和翅片间距、厚度、片高等均受到限制。由于材料不存在拼接，散热器内部导热均匀、热导率高。同样尺寸、同样材质、同样外形的散热器相比， 其热阻最小。 此外受工艺限制， 不能加工纯铝， 故此种散热器均为合金铝。2、半挤压铝型材、半插片式(见图二 ).由于挤压铝型材工艺限制，片间距不能做得太窄，一般在10mm 左右。如要做小，则精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 14 页4 挤压部分片距两倍于设计尺寸，然后用插片方法再把一片铝片插在其间，并用压力机压紧固定。因为一半左右翅片是插上的，尽管压得很紧， 铝片与底板还不是一体的，所以导热系数不如一体的。相比之下，热阻比纯挤压铝型材偏大。3、翅片拼接式(见图三 )先做翅片， 然后把翅片根部叠在一起，由于根部有咬合缺口，经压力加工压紧，咬合缺口互相紧密咬合成为一体。这种工艺使用铜或铝材料，可做成任意宽度、较高翅片的散热器。问题是片与片之间是分体的，导热阻力大。在散热器底板平面上，装有电力电子器件的覆盖部分导热较好，覆盖以外部分需要通过片与片接触部分把热导出来，此时的接触部分的较大的接触热阻会使导热系数大幅降低。4、插片式 (见图四 )它是由底板和若干翅片组成。底板一侧先铣上插片槽，把翅片一端用镶嵌方法插入插片槽内并压紧。可用铜或铝材料，优点是散热器设计多大都行，不受尺寸限制，。此种散热器只有铝片端部很少部分插入底板，接触导热面积有限，如加工时插得不紧，热阻就会偏大。另外当设计翅片数量较多时由于不能保证每次或每片铝片插入加工条件一致，因此热阻参数一致性也差。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 14 页5 电力电子器件散热的基本原理(4) 空气冷却散热器的布局设计空气冷却散热器的冷却方式包括空气自然对流冷却( 常称自冷 ) 和强迫空气冷却( 常称风冷 )两种。从“基本原理(2) 风冷散热器选用基础”帖子中可得出两个结论：1，风速大于6 米/ 秒后，热阻随风速增大下降极少，一般设计最大风速定于6 米/ 秒即可。2，散热器长超过400 毫米后， 再加长于降低热阻贡献极微。一般设计长度不宜超过400毫米。从另一角度讲，散热器越长，风阻越大，对风机要求越高。所以过长的散热器设计是不合理的。总之，风速与长度对散热的贡献不是线性的、不成正比。根据上述第2 点结论，在设备中散热器的使用与它的布局中有几点值得注意的地方：1，自冷条件下，散热器靠热空气上升、冷空气下降的自然对流来散热。所以散热器的翅片要顺着对流方向安排，即上下安排，不要横着。2，风冷条件下的风冷系统包括：散热器、风机和风道。三者缺一不可。所谓风道，即是迫使空气必须在“风道”这条通道里通过，即便前面有散热器，有阻力。 流动的空气有如电流， 哪儿阻力小就往哪儿走。如没有“风道”风就会绕过阻力大的散热器。此时，散热器的翅片间隔中就很难进风。风冷条件下，空气靠风机推动，散热器横放竖放都行，只要翅片方向顺着风道中的风向就行。3，现今模块式电力电子器件大量应用，如大功率、整流管、等。它们的导热底板是绝缘的、 不导电。 有这样的设计， 即把一台设备中全部模块式电力电子器件安装在一块散热器上，这样安排实为不妥。最大的问题是结构不合理、空间利用率低，散热器长度过长，随之带来的是拆装困难、维修不便。应该推荐的比较先进的是电气设备组件化或模块化结构设计。即把整机所有部件按功能分成若干个“功能单元”如中把整流桥或逆变桥中的一个桥臂或两个桥臂串联加上保护器件组成一个组件( 模块 )( 见图一 ) 。高压变频器是由若干个低压变频器输出串联而成，每一个低压变频器就可制成一个功能独立的“模块”( 见图二) 。 一个大电流输出的三相全波整流桥可以分成“送风单元( 模块) ”、“主回路单元( 模块) ”、出风风道( 风道内安装阻容保护的大电阻 ) 三大部分 ( 见图三 ) 。这种结构的机柜空间利用十分紧凑，每个模块或组件拆装又十分方便。在这种结构中， 电力电子器件分别安排在若干个散热器上，散热器的长度一般较短，风速容易提高，散热效率也高。4，在实际设计中由于某种原因，散热器必须做得很大或较长。此时也有办法提高散热效率。 此法是： 在翅片长度方向，横切出宽窄2 到 4 毫米的若干个缺口，一般缺口位置相隔150 到 200 毫米 ( 见图四 ) ，均分，且不能影响其他功能。缺口要切到底板为止。保证底板仍相连， 是完整的一块， 不影响上面电力电子器件的安装。其目的是把一块较长的散热器改成底板还连在一起的若干块较短的散热器，使散热器在保持原型情况下明显地减小它的热阻。这次只讲散热器的布局。文中提到的风机和风道将另文描述。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 14 页6 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 14 页7 电力电子器件散热的基本原理(5) 谈谈风冷散热用的风机至今为止使用风机最多的是建筑行业的暖风空调专业，打开风机样本看到的都是暖风空调专业的专用术语，因为此行业是风机的发源地。其次是用在各种内燃机的水箱冷却。可以这么说，至今还没有为电器柜冷却专门设计的风机。因此在这种“代用”情况下要选用电器柜冷却合适的风机不是一件容易的事。在使用上两者有什么异同呢?暖风空调用风机是为了把已加温或已冷却的加工后的空气送到建筑内所需要的房间，是一种热量的移动。中央空调是一个很大的系统，空气是介质，风机就是空气移动的动力。电器柜的风机是直接用来冷却机柜内发热的电器部件，冷却的关键在于空气与被冷却部件间的热交换。当然空气还是介质(只是没有经过加工)，风机还是动力。前者移动的空气是在风管中流动的， 要求风管内部不能有任何阻挡物，甚至要求风管内侧四壁摩擦阻力越小越好。一旦空气从出风口进入房间，更没有什么阻力了。而电器柜内满是被冷却的电气部件，阻碍空气流动，尤其是散热片间距狭窄，散热片流阻抵消了风机的风压，使风机风量相应减少。暖风空调系统很大，一个系统使用几十台风机是常事，有并联也有串联。讲究的是风机间的协调， 尽可能不发生相互间的扰动。系统的每一个出风口风量都有要求。空调系统会按精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 14 页8 照设定根据需要自动调整风速。而电器机柜虽小，讲究的也是不允许互相干扰，安排上多数是一台风机一个冷却风道。对风速要求在客观条件一定情况下越大越好，没有限制。 事实是由于电器柜空间狭小，不易选到合适的风机，风速很难达到6 米/秒。电力电子行业电器柜所用的的风机一般参数为：风量 (最大 )：5000 立米 /小时 ;风压 (最大 )：1000Pa;风叶直径 (最大 )： 500市场上目前能购到的风机有如下几种结构：1，离心式风机(无蜗壳 )2，离心式风机(有蜗壳 )3，轴流风机离心式风机叶轮又分前弯式叶片和后弯式叶片两种;有蜗壳、外转子电机离心式风机还分单侧进风和双侧进风两种。涡壳作用是汇集叶轮出口气流并引向风机出口，与此同时将气流的一部分动能转化为压能。涡壳外形以对数螺旋线或阿基米德螺旋线最佳，具有最高效率。涡壳轴面为矩形，并且宽度不变。涡壳出口处气流速度很大，为了有效利用气流的能量，在涡壳出口装扩压器，由于涡壳出口气流受惯性作用向叶轮旋转方向偏斜，因此扩压器一般作成沿偏斜方向扩大，其扩散角通常为 6 8离心风机涡壳出口部位有舌状结构，一般称为涡舌。 涡舌可以防止气体在机壳内循环流动。一般有涡舌的风机效率，压力均高于无舌的风机。轴流风机分叶片安装角度可调和不可调两种。轴流式安装方便、体积小，但风压低，约在100 Pa200 Pa之间，而离心风机最高风压可达到 700 Pa1000 Pa。在串联风道上用较为合适。但离心风机安装要求高、占体积大、噪音大、价格高。风机的其他指标为电机功率、风机能承受的环境温度和风机工作时的噪音。风机的功能是给功率半导体器件散热器送去流动的空气，经过热交换把散热器的热量带走。风机的主要特性可由特性曲线表示出来。如图一所示， 所表示的是风机的风压风量曲线。风机最大额定风量是指前方无任何阻挡物时的风量。如果吹风前方存在阻力，风在流过阻挡物例如散热器时，流阻就会抵消与流阻相当的风压，使风流量降低。 假设风机的最大风压是 120 Pa ，散热器在某风速时的流阻是70 Pa ，两者相抵风压剩余50 Pa ，此时与曲线的相交点A 所对应的风量即为实际通过的风量。从图上查的为1650 m3/ 小时，已不是风机的最大风量2800 m3/ 小时。应该说明，这里的“风速”指的是“平均风速”，是国标规定的“测试位置”测得的风速。而不是从散热片齿间测得的风速(见图二 )。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 14 页9 电力电子器件散热的基本原理(6) 电力电子装置中风冷系统结构考虑电力电子器件散热的基本原理(4) 已提到电力电子装置中的风冷系统包括：散热器、风机和风道，三者缺一不可。1，风道的作用风道是一条风机作用下空气流动的通道。其作用是迫使空气必须在“风道” 这条通道里通过，即便前面有散热器，有阻力。如没有“风道”，风就会绕过阻力大的散热器。此时，散热器的翅片间隔中就很难进风。而在没有阻力的地方会合“短路”。因此在大功率半导体器件冷却系统中风道是规范空气流动的一个十分重要措施。晶闸管和散热器安装在风道内而风机又强迫空气在风道内通过。其功能主要是：(1) 把空气集中在风道内通过，尽可能用全部流动的空气参与散热器的冷却。(2) 风机的风量在一定的流阻情况下是一定的。风道的截面积即为空气流过的截面积，则精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 14 页10 (3) 如果风道紧贴着散热器的边缘去规范空气的流动，不留或极少留孔隙( 所谓的风短路点) ，则流阻很大，空气流量下降，风速下降，散热效果受到极大影响，散热器温升高。从实践来看，在散热器之间留有适当孔隙，使孔隙处达到较大风速。这儿又是翅片的边缘部分，热交换充分，温升较低，相对来说具有较好的散热效果。2，电力电子装置中大功率半导体器件风冷散热系统在电力电子电器柜中大功率半导体器件风冷散热系统往往自成一个单元，称为晶闸管( 或 Igbt) 散热单元。主要包括带有散热器的晶闸管(Igbt)、风机、风道三个部分。2.1 风冷散热单元结构一般说来用风冷来冷却大功率半导体器件散热器的结构有：散热器串联吹风式( 图一 ) 、散热器串联抽风式(图二 ) 、散热器并联吹风式( 图三 ) 、散热器并联抽风式( 图四 ) 四种。(1) 散热器串联吹风式( 图一 ) 从图可看到每个风道三个散热器串联安排。下面两个风机向上吹晶闸管散热器，这是因为总体结构要求导电铜排在上方引出。这两个风机各有自己的风道( 上覆盖有机玻璃) ，互不干扰。图一散热器串联吹风式(2) 散热器串联抽风式( 图二 ) 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 14 页11 机柜内晶闸管散热器串联，机柜顶部有两台离心风机抽风。抽风式结构利用负压效应，要求风道除进风口外密封好，否则风道内很难形成足够的负压，影响冷却效率。 顶部的两台离心风机叶轮外一定要用板分隔开、处置好， 否则叶轮抽出的高压空气会互相干扰，造成出风阻力。图二散热器串联抽风式(3) 散热器并联吹风式( 图三 ) 此电器柜由底部的离心风机向机柜前部供风( 只一台工作 ) 。前门关闭后( 见图三中图 )前室形成高压。 高压空气从前室背部的晶闸管散热器翅片中吹过，冷却散热器， 到达后室 ( 见右边侧面图 ) ， 然后从长扁形后室风道向上吹出。此时，尽管散热器齿间距很窄，流阻很大，由于选择了离心风机的高风压加上散热器短且并联安排，使风速和风量都达到了要求。图三散热器并联吹风式精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 14 页12 (4) 散热器并联抽风式( 图四 ) 本图是风力发电的变频柜。一组Igbt器件散热单元水平排开，由机柜后背的离心风机抽风冷却。由于散热器上要安装很多零件，散热器长度达260m ，设计者用风压较大的离心风机，且单个散热器并联的设计方案，满足了风速、风量的需求。图四散热器并联抽风式由机柜背后风机抽风2.2 结构中风机的安排2.2.1 风机的并联由于机柜尺寸的限制以及部件尺寸配合需要，为满足风量需要往往不可能采用一台大直径风机，代之于两台或多台小直径风机的并联。图一、图二都是风机并联结构。如是抽风型而且风机是同一型号，则在风道中空气相互干扰甚微。如是吹风型， 则两台风机吹出的高压空气会有较大的干扰，故图一中把它们分成两个风道。3.2.2 风机的串联在使用轴流风机时，一台风机的风压不够，于是设计者设计两台风机放在风道的两端，一吹一抽 (一推一拉 ) ，想起到两台风机风压加倍的效果。实际上不可能。 它们叠加的风压比一台大些，到不了两倍，是要打折扣的。3.2.3 风机调速电力电子设备上使用的风机基本上不存在调速问题。总希望风机发挥最大的效能。只有试验设备上用的风机才要求调速。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 14 页13 电力电子器件散热的基本原理(7) 散热计算的部分参考数据以下提供的数据对电力电子器件的应用设计会有帮助，仅供参考。1，部分材料的热参数表：2，部分单位间的换算表：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 14 页14 3，接触热阻的计算：式中4，部分材料的接触热阻率( 英吋 /W)表：【注】在本帖子系列“导热硅脂和导电膏要正确使用决不能依赖”一文中提到铜、铝、空气及硅脂的导热系数分别为：“纯铜为：383 瓦/ 米 ; 纯铝为： 204瓦/ 米 ; 空气为： 0.026 瓦/ 米 ; 而导热硅脂仅为：1 瓦/ 米到 6 瓦/ 米。”热阻率为导热系数的倒数，同时把“米”换算为“英吋”，则本表中相应材料热阻率分别为：纯铜：0.103 英吋 /W;纯铝为： 0.193 英吋 /W;空气为：1514.2 英吋 /W; 导热硅脂为：39.4 英吋 /W 到 6.56 英吋 /W 。把两文中有关数值作比较，硅脂数值差的较多，这是由于数据来源不同。市场上硅脂品种繁多，采用样本就有差异。 尽管如此， 还是得出了一个相同的结论：硅脂的导热性能尽管比空气好得多( 三十倍以上 ) ，但比铜和铝要差得远( 六十倍以上 ) 。导热硅脂一定要正确使用。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 14 页