一種通用散熱結(jié)構(gòu)的參數(shù)計(jì)算及程序設(shè)計(jì)

汪洋 張偉 陳世昌

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)和高壓大電流的電力電子器件的迅速發(fā)展，相關(guān)的電力電子設(shè)備越來越小型化和輕量化。然而，隨著功率密度的提高，功率器件的發(fā)熱直接影響電子設(shè)備的可靠性和工作性能[1]。為了控制功率器件的溫升，相應(yīng)的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問題[2]。

在眾多散熱結(jié)構(gòu)中，強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于自然風(fēng)冷，復(fù)雜性大大低于油冷和水冷，可靠性也比較高，因此是電力電子裝置的主要散熱結(jié)構(gòu)。通常情況下，選用散熱面積較大的散熱器和風(fēng)量較大的風(fēng)機(jī)可以提高散熱效果，但散熱面積的增加和風(fēng)機(jī)風(fēng)量的提高均受到散熱器的加工工藝、裝置體積、重量及其噪音指標(biāo)等限制[3]。

本文針對(duì)電力電子裝置中最常見的散熱結(jié)構(gòu)，分析計(jì)算功率部件、風(fēng)扇、散熱器之間的關(guān)系，并編寫對(duì)應(yīng)算法的程序來確定選用風(fēng)扇的參數(shù)、散熱器的型號(hào)和長(zhǎng)度，使該類型的散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。

1 強(qiáng)制風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 散熱結(jié)構(gòu)示意圖

電力電子裝置中最常用的強(qiáng)制風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化如圖 1。功率部件緊密固定在鋁或銅合金型材散熱器上，散熱器截面如圖2。工作時(shí)，風(fēng)扇將冷空氣吹入散熱器肋片間的空隙組成若干個(gè)小的風(fēng)道，與散熱器表面進(jìn)行熱交換，達(dá)到冷卻功率部件的目的。

對(duì)風(fēng)扇廠家，一般均以60℃作為標(biāo)定風(fēng)扇的平均無故障時(shí)間的條件，如果風(fēng)扇應(yīng)用的環(huán)境高于60℃，則嚴(yán)重影響風(fēng)扇壽命。如果進(jìn)入風(fēng)扇的空氣溫度高于60℃，則考慮選用高溫風(fēng)機(jī)以保證使用壽命或改用吹風(fēng)方式的方法。對(duì)照?qǐng)D1中的兩種安裝方式，為確保產(chǎn)品的可靠性，在該類型的散熱結(jié)構(gòu)中，在安裝空間能夠滿足的情況下，b吹風(fēng)方式較為合理。

圖2 散熱器截面參數(shù)示意圖

在電力電子裝置中，常用的功率部件有雙極型晶體管（IGBT），功率MOSFET，功率二極管等[4]。在設(shè)計(jì)時(shí)，功率部件的最大功率損耗即為散熱結(jié)構(gòu)的散熱功率P。

2 風(fēng)扇參數(shù)的選擇

在如圖1所示的散熱結(jié)構(gòu)中，功率部件的散熱途徑主要有以下三種：

1） 散熱器肋片間空隙形成的風(fēng)道對(duì)流換熱；

2） 功率部件及其散熱器基板及其兩側(cè)表面的自然對(duì)流；

3） 功率部件及其散熱器基板及其兩側(cè)表面的輻射散熱；

由于散熱途徑1的散熱量遠(yuǎn)大于散熱途徑2和散熱途徑 3，所以，本文以功率部件的散熱均以散熱器肋片間形成的風(fēng)道的對(duì)流換熱為計(jì)算依據(jù)。

定性溫度見下式（其中ts為功率部件的允許的最大殼溫）。散熱結(jié)構(gòu)的進(jìn)風(fēng)口溫度為t1，出風(fēng)口空氣的溫度為t2（一般來說，空氣的溫差t2-t1為10℃～15℃）。

在計(jì)算中，以tf來選擇對(duì)應(yīng)溫度下的空氣物性參數(shù)ν，μ，ρ， cp，Pr，依據(jù)熱平衡方程，計(jì)算風(fēng)扇的理論最大風(fēng)量Qf。

按經(jīng)驗(yàn)，選取1.5～2倍的裕量選擇風(fēng)扇的實(shí)際最大風(fēng)量，類型和風(fēng)扇的數(shù)量。

3 散熱器參數(shù)的計(jì)算

由于散熱器的形狀大小，重量常常受限于電力電子裝置中各種不同的設(shè)計(jì)要求，因此，選擇滿足要求的散熱器是散熱器參數(shù)選擇的目標(biāo)[5]。

在選擇散熱器的時(shí)候，我們通常選擇通用型散熱器，其截面如圖 2。通過手冊(cè)可查得散熱器肋片的數(shù)量n，肋片高度a，肋片間距b，和肋片的厚度c，散熱器基板厚度t，當(dāng)散熱結(jié)構(gòu)工作時(shí)，即為這n+1個(gè)肋片間的空隙形成的狹長(zhǎng)風(fēng)道進(jìn)行冷空氣與散熱器肋片表面的對(duì)流換熱。每個(gè)小的風(fēng)道當(dāng)量直徑

每個(gè)風(fēng)道的風(fēng)速

計(jì)算雷諾數(shù)來確定流體的狀態(tài)（Re<1800為層流，Re>105為湍流）

在Re<1800冷空氣為層流換熱時(shí)，考爾本數(shù)按下式計(jì)算

換熱系數(shù)為

參照選取散熱器的手冊(cè)，查其熱傳導(dǎo)率λ，肋片效率為

依據(jù)熱阻計(jì)算公式

上式忽略輻射換熱熱阻R輻，其中為功率部件與散熱器接觸的當(dāng)量直徑）， A = 2(n + 1)al散，δ=t

通過式(10)和式(11)，可計(jì)算出散熱器實(shí)際需要的最小長(zhǎng)度l散。依據(jù)計(jì)算的散熱器型號(hào)，長(zhǎng)度來確定散熱器的安裝方式是否能滿足電氣設(shè)計(jì)的相關(guān)的性能要求，如果不能滿足要求，則需重新選擇散熱器型號(hào)，直至滿足要求為止。

4 散熱器合理性分析

為提高散熱器的散熱效果，散熱器的選擇應(yīng)注意以下問題：

1）為保證結(jié)構(gòu)的緊湊性，散熱結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足電氣結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的體積、重量和外形要求；

2）在實(shí)際的散熱過程中，散熱器基板的溫度分布是不均勻的，功率部件安裝位置處的溫度要高于其他位置，出風(fēng)口處的溫度高于進(jìn)風(fēng)口處的溫度，為保證功率部件在散熱器基板的合理分布，保證溫度的均勻分布，防止功率部件之間的熱耦合，需在計(jì)算結(jié)果中選用合適寬度和長(zhǎng)度的散熱器，并合理布置散熱部件；

3）雖然增加散熱器肋片的高度和數(shù)量可以增加散熱結(jié)構(gòu)的散熱效率，但肋片數(shù)量的增加會(huì)增加風(fēng)道的風(fēng)阻，使散熱效果反而降低，而肋板高度增加到一定程度后，散熱效果提高不明顯。因此，不可以無限量增加散熱器肋板的數(shù)量和高度。

5 程序化設(shè)計(jì)

通過以上對(duì)散熱結(jié)構(gòu)的分析，得到對(duì)應(yīng)的參數(shù)計(jì)算方法，編寫對(duì)應(yīng)的流程圖見圖3。

利用VB6.0人機(jī)界面友好的特點(diǎn)，編寫相應(yīng)的程序，整個(gè)程序界面簡(jiǎn)潔，容易操作。該程序主要通過圖片提示用戶輸入相應(yīng)信息，通過文本框、按鈕等各種控件來接收用戶輸入的信息。程序按流程完成散熱結(jié)構(gòu)各步的計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果集中顯示。

圖3 散熱結(jié)構(gòu)程序流程圖

6 結(jié)語

本文在分析散熱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，得出功率部件熱損耗、風(fēng)扇、散熱器之間的計(jì)算關(guān)系，利用VB6.0編寫程序?qū)⒂?jì)算方法程序化，能夠快速準(zhǔn)確的計(jì)算風(fēng)扇，散熱器的相關(guān)參數(shù)，為選型設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過該方法在實(shí)際過程中的使用，得出以下結(jié)論：

1）采用該方法設(shè)計(jì)的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求；

2）該程序在散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)避免了大量重復(fù)計(jì)算，從而大大提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率；

3）通過程序可對(duì)比優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，更好的滿足電力電子裝置內(nèi)部的空間、工藝、重量、成本的要求。

[1]楊旭, 馬靜等. 電力電子裝置強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式的研究[J]. 電力電子技術(shù), 2000, 4(8): 36~38.

[2]胡建輝, 李錦庚等. 變頻器中的IGBT模塊損耗計(jì)算及散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 24 (3):159~163.

[3]劉一兵. 功率器件散熱技術(shù)的研究[J]. 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 21(4):77~79.

[4]Muhammad H.Rashid. 陳建業(yè)等譯. 電力電子技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[5]于慶禎, 李鋒. 電氣設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.