電力中的電子設(shè)備熱效應(yīng)分析及應(yīng)用

1 引言

在風(fēng)機(jī)變流器和光伏并網(wǎng)逆變器的整機(jī)設(shè)計(jì)中，主功率模塊、電抗器及電阻的熱設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的。要保證上述元器件在許可的溫度下正常工作運(yùn)行，熱量的分析及散熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文通過對(duì)電力電子設(shè)備的熱分析，能很好解決以上問題。

2熱分析的目的

利用數(shù)學(xué)手段及通過計(jì)算機(jī)模擬，在設(shè)計(jì)階段獲得溫度分布。在設(shè)計(jì)初期就能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的熱缺陷，從而改進(jìn)其設(shè)計(jì)，建立一個(gè)滿足可靠性要求的環(huán)境溫度控制系統(tǒng)。也就是設(shè)計(jì)一個(gè)冷卻系統(tǒng)，在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻通道，保證熱量順利傳遞出去?？刂齐娮赢a(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在設(shè)備所處的工作環(huán)境條件下不超過最高允許溫度，確保電子產(chǎn)品在規(guī)定的熱環(huán)境下可靠工作。

3 熱設(shè)計(jì)的核心

設(shè)計(jì)一個(gè)冷卻系統(tǒng)，在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻通道，保證熱量順利傳遞出去。

溫度對(duì)電子產(chǎn)品可靠姓影響極大，尤其對(duì)半導(dǎo)體器件最為敏感，如下圖所示，幾乎所有電子元器件參數(shù)都與溫度有關(guān)。

圖 1 電子元器件故障率與溫度的關(guān)系

4 熱設(shè)計(jì)的基本要求

電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)應(yīng)首先根據(jù)設(shè)備的可靠性指標(biāo)及設(shè)備所處的環(huán)境條件確定熱設(shè)計(jì)目標(biāo)，熱設(shè)計(jì)目標(biāo)一般為設(shè)備內(nèi)部元器件允許的最高溫度，根據(jù)熱設(shè)計(jì)目標(biāo)及設(shè)備的結(jié)構(gòu)、體積、重量等要求進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，主要包括冷卻方法的選擇、元器件的安裝與布局、印制電路板、電阻、電抗器、變壓器、模塊散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)要與電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，滿足設(shè)備可靠性的要求。

熱設(shè)計(jì)與維修性設(shè)計(jì)相結(jié)合，可提高設(shè)備的可維修性。

5 熱設(shè)計(jì)中術(shù)語(yǔ)的定義
⑴ 熱特性：設(shè)備或元器件的溫升隨熱環(huán)境變化的特性，包括溫度、壓力和流量分布特征。
⑵ 熱流密度：?jiǎn)挝幻娣e的熱流量。
⑶ 熱阻：熱量在熱流路徑的阻力。
⑷ 內(nèi)熱阻：元器件內(nèi)部發(fā)熱部位與表面某部位之間的熱阻。
⑸ 安裝熱阻：元器件與安裝表面之間的熱阻，又叫界面熱阻。
⑹ 溫度穩(wěn)定：溫度變化率不超過每小時(shí)2℃時(shí)，稱為溫度穩(wěn)定。
⑺ 溫度梯度：等溫面的法向方向上單位距離所引起的溫度增量定義為溫度梯度。
⑻ 紊流器：提高流體流動(dòng)紊流程度并改善散熱效果的裝置。
⑼ 熱沉：是一個(gè)無(wú)限大的熱容器，其溫度不隨傳遞到它的熱能大小而變化。它也可能是大地、大氣、大體積的水或宇宙，又稱熱地。

6 熱傳遞的三種方式

傳熱的基本形式有傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射三種。

⑴ 傳導(dǎo)散熱是指物體直接接觸時(shí)，能量交換的現(xiàn)象。在不同的物體中，其導(dǎo)熱機(jī)理各不相同，在非導(dǎo)電固體和液體中，主要依靠物體內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的彈性波在傳遞熱量。在金屬導(dǎo)體中，主要依靠自由電子的運(yùn)動(dòng)傳遞能量。因此，導(dǎo)電性能好的材料，其導(dǎo)熱性能也好，氣體的導(dǎo)熱主要依靠分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)傳遞能量。傳導(dǎo)散熱量計(jì)算如下：
Q=KA△t/L （1）
式中：
Q——傳導(dǎo)散熱量，W
K——導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃
A——導(dǎo)體橫截面積，m2
△——傳熱路徑兩端溫差，℃
L——傳熱路徑長(zhǎng)度，m


⑵ 對(duì)流換熱是流體流過固體壁面時(shí)的一種能量交換現(xiàn)象，它與流體的宏觀運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，而且與流體的物理性質(zhì)以及換熱面的幾何形狀，放置位置等因素有關(guān)。在具體研究或計(jì)算對(duì)流換熱時(shí)，應(yīng)注意計(jì)算用的準(zhǔn)則方程的限制條件。對(duì)流散熱量計(jì)算如下：
Q=hA△t （2）
式中：
Q——對(duì)流散熱量，W
h——換熱系數(shù)，W/m2·℃
A——有效換熱面積，m2
△t——換熱表面與流體溫差，℃