風冷散熱設計及驗算方案

風冷散熱設計及驗算方案一、散熱器的選配1、選用散熱器的依據電力半導體器件（以下簡稱器件）的耗散功率、熱阻（結殼熱阻與接觸熱阻之和）和冷卻介質的入口溫度等，是選用散熱器的基本依據。器件被應用在各種各樣的工況，在選用散熱器時應該正確識別散熱器、絕緣件和緊固件的型號和含義，了解不同散熱器的散熱能力和范圍。通常，一種器件僅從參數看，可能有兩、三種散熱器都能滿足要求，但應結合自己的應用情況，諸如：冷卻、安裝、通用互換和經濟性來綜合考慮選取一種最佳的散熱器。2、散熱器選用計算方法散熱器的配置目的，是必須保證它能將元件的熱損耗有效地傳導至周圍環境，并使其熱源即結點的溫度不超過，取環境溫度，用公式表示為：‥…‥…‥…‥…①‥…‥…②其中：P，元件的損耗功率；Q，耗散功率，散熱結構的散熱能力；，元件工作結溫，即元件允許的最高工作溫度極限，取=125°C；，環境溫度，水冷時規定為35°C，風冷時規定為40°C。R，熱阻，熱量在媒質之間傳遞時，單位功耗所產生的溫升；‥…‥…③，結點至管殼的熱阻，Rjc與元件的工藝水平和結構有很大關系由制造商給出，范圍一般為0.8～2.0K/W；，管殼至散熱器的熱阻，與管殼和散熱器之間的填隙，介質接觸面的粗糙度平面度以及安裝的壓力等密切相關，影響接觸熱阻的因素較多，迄今沒有一個普遍適用的經驗公式加以歸納，因此工程設計中都是根據實驗或參考實測數據來選擇接觸熱阻，表1為某些典型接觸面的接觸熱阻值；，散熱器至空氣的熱阻，是散熱器選擇的重要參數，它與材質材料的形狀和表面積體積以及空氣流速等參量有關。綜合①②③，得到：‥…‥…④參見（JB/T9684-2000電力半導體器件用散熱器選用導則）根據④式計算的熱阻值，如果選用標準散熱器，則查詢散熱器標準（GB/T8446.1電力半導體器件用散熱器），標準中熱阻值與計算值相同，或小于又接近于計算值的散熱器即為所選用的散熱器；如果為非標準型散熱器，需要廠家提供散熱器的熱阻，該熱阻值應小于（并且比較接近）。3、肋片式散熱器的熱阻計算（參考：電子設備熱設計及分析技術，余建祖等編，北京航空航天大學出版社）：肋片式散熱器熱阻計算公式為：其中：R，散熱器換熱熱阻；，表面傳熱系數；帶肋片壁面的總表面積，，為肋片表面積，未被肋片根部遮蓋的基壁面積；，表面效率，有效傳熱面積與總傳熱面積之比，，（h為肋片高度，m為肋片材料和流體物性的函數），（為肋片材料的導熱系數，肋片厚度）；肋片式散熱器散熱功率Q計算其中：，為散熱器溫度；，為環境溫度。二、模塊的損耗P1、IGBT模塊損耗IGBT模塊由IGBT部和并聯二極管組成，它們各自發生的損耗合計即為IGBT模塊整體發生的損耗。另外發生損耗的情況可分為穩態時和交換時。2、IGBT損耗計算（參考：變頻器的熱耗計算及散熱分析.劉玉芬.程洪亮.優化設計高壓變頻器中IGBT模塊的選擇及計算分析.吳加林.變頻器世界）在PWM工作方式下，一個IGBT模塊的總損耗包括單個IGBT及其并聯二極管的損耗之和。‥…‥…⑤；‥…‥…⑥；由式⑤、⑥、⑦得出：‥…‥…⑦其中：，單個IGBT的總損耗；，單個二極管的總損耗；，單個IGBT的通態損耗；，單個IGBT的開關損耗；，單個二極管的通態損耗；對于IGBT的通態損耗，‥…‥…⑧；對于IGBT的開關損耗，‥…‥…⑨；表1某些典型接觸面的接觸熱阻值（參考：電子設備熱設計及分析技術.余建祖.高等教育出版社）表面狀況接觸熱阻×104/(m2·K/W)金屬與金屬干接觸高3.55中（平均）2.58低0.90涂硅脂高2.32中（平均）1.29低0.48導熱襯墊高1.10中（平均）0.65低0.32墊銦片(厚0.005mm)干接觸高0.58中（平均）0.45低0.32墊云母片(厚0.02～0.03mm)干接觸高11.29中（平均）7.74低3.87硅脂高6.45中（平均）3.87低1.94墊氧化鈹(厚0.02～0.062mm)干接觸2.0墊銦鉑0.90灌環氧樹脂0.71表2電子設備常用材料導熱系數（參考：電子設備熱設計，趙惇殳，電子工業出版社）材料名稱導熱系數W/(m·℃)材料名稱導熱系數W/(m·℃)鋁216硅（純）146鈹177硅（摻雜到電阻率2..5×103Ω·cm98.4鈹銅106.3黃銅（70%，30%鋅）122氧化鋁，礬土（99.5%）27.6銅394氧化鋁，礬土（85%）11.8金291氧化鈹（99.5%）197鐵66.9氧化鈹（97%）157柯伐合金16.5氧化鈹（95%）118鉛34.3氮化硼（熱壓）39.4鎂157金剛石630鉬130環氧樹脂0.197夢乃兒合金19.7導熱環氧樹脂0.787鎳90.6熱沉混合物（金屬氧化物負載環氧樹脂）0.394銀41732