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风冷散热设计及验算方案

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2020年4月19日
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风冷散热设计及验算方案
一、散热器的选配
1、选用散热器的依据
电力半导体器件（以下简称器件）的耗散功率、热阻（结壳热阻与接触热阻之和）和冷却介质的入口温度等，是选用散热器的基本依据。器件被应用在各种各样的工况，在选用散热器时应该正确识别散热器、绝缘件和紧固件的型号和含义，了解不同散热器的散热能力和范围。一般，一种器件仅从参数看，可能有两、三种散热器都能满足要求，但应结合自己的应用情况，诸如：冷却、安装、通用互换和经济性来综合考虑选取一种最佳的散热器。
2、散热器选用计算方法
散热器的配置目的，是必须保证它能将元件的热损耗有效地传导至周围环境，并使其热源即结点的温度不超过，取环境温度，用公式表示为：
‥…‥…‥…‥…①
‥…‥…②
其中：P，元件的损耗功率；
Q，耗散功率，散热结构的散热能力；
，元件工作结温，即元件允许的最高工作温度极限，取=125°C；
，环境温度，水冷时规定为35°C，风冷时规定为40°C。
R，热阻，热量在媒质之间传递时，单位功耗所产生的温升；
‥…‥…③
，结点至管壳的热阻，Rjc与元件的工艺水平和结构有很大关系由制造商给出，范围一般为 0.8～2.0 K/W；
，管壳至散热器的热阻，与管壳和散热器之间的填隙，介质接触面的粗糙度平面度以及安装的压力等密切相关，影响接触热阻的因素较多，迄今没有一个普遍适用的经验公式加以归纳，因此工程设计中都是根据实验或参考实测数据来选择接触热阻，表1为某些典型接触面的接触热阻值；
，散热器至空气的热阻，是散热器选择的重要参数，它与材质材料的形状和表面积体积以及空气流速等参量有关。
综合①②③，得到：
‥…‥…④
参见（JB/T9684- 电力半导体器件用散热器选用导则）
根据④式计算的热阻值，如果选用标准散热器，则查询散热器标准（GB/T8446.1电力半导体器件用散热器），标准中热阻值与计算值相同，或小于又接近于计算值的散热器即为所选用的散热器；如果为非标准型散热器，需要厂家提供散热器的热阻，该热阻值应小于（而且比较接近）。
3、肋片式散热器的热阻计算
（参考：电子设备热设计及分析技术，余建祖等编，北京航空航天大学出版社）：
肋片式散热器热阻计算公式为：

其中：R，散热器换热热阻；
，表面传热系数；
A， 带肋片壁面的总表面积，，为肋片表面积，未被肋片根部遮盖的基壁面积；
，表面效率，有效传热面积与总传热面积之比，，（h为肋片高度，m为肋片材料和流体物性的函数），（为肋片材料的导热系数，肋片厚度）；
肋片式散热器散热功率Q计算

其中：，为散热器温度；
，为环境温度。
二、模块的损耗P
1、IGBT模块损耗
IGBT模块由IGBT部和并联二极管组成，它们各自发生的损耗合计即为IGBT模块整体发生的损耗。另外发生损耗的情况可分为稳态时和交换时。
2、IGBT损耗计算
（参考：变频器的热耗计算及散热分析.刘玉芬.程洪亮.优化设计
高压变频器中IGBT模块的选择及计算分析.吴加林.变频器世界）
在PWM 工作方式下，一个IGBT 模块的总损耗包括单个IGBT 及其并联二极管的损耗之和。
‥…‥…⑤；
‥…‥…⑥；
由式⑤、⑥、⑦得出：
‥…‥…⑦
其中：，单个IGBT的总损耗；
，单个二极管的总损耗；
，单个IGBT的通态损耗；
，单个IGBT的开关损耗；
，单个二极管的通态损耗；
对于IGBT的通态损耗，‥…‥…⑧；
对于IGBT的开关损耗，‥…‥…⑨；
对于二极管的通态损耗，‥…‥…⑩；
其中：，变频器正弦输出电流的峰值电流；
，指在125°C时，峰值电流下，IGBT的饱和压降；
D，PWM信号占空比；
，功率因数；
，表示=125°C时，峰值电流下从曲线上可查到的开通能量；
，表示=125°C时，峰值电流下从曲线上可查到的关断能量；
，指变频器的PWM开关频率；
，二极管的通态压降。
经过查询相关图表，确定所需的参数后，即可计算出所需的IGBT模块的总功耗。
3、整流桥二极管损耗
（参考：高压变频器散热系统的设计.王丹.电力电子技术）
二极管整流时的功耗为：

其中：，为占空比；
，导通电流最大值；
，二极管导通压降；
，截止承受反向电压；
，反向恢复时间；
，开关频率；
，漏电流；
，反向电压；
三、风机选型与风道设计
1、风机选择方法
选择通风机时应考虑的因素包括：风量、风压（静压）、效率、空气流速、系统（风道）阻力特性、应用环境条件、噪声以及体积、重量等，其中风量和风压是主要参数。
根据电子设备风冷系统所需之风量和风压及空间大小确定风机的类型。
当要求风量大、风压低的设备，尽量采用轴流式通风机，反之，则选用离心式通风机。通风机的类型确定后，再根据工作点来选择具体的型号和尺寸。
通风机工作时的噪音应控制在一定范围之内。
2、风机风量计算
（参考：电子设备中高功率器件的强迫风冷散热设计.张忠海.电子机械工程）
假设所选散热器合理，那么散热器能够将发热量传递到散热空间。所选风机将热量排出设备外，风机的风量应能将全部发热量带走。根据热平衡方程：
‥…‥…⑾
其中：，为冷却空气流量，m3/s；
，为设备发热量，kW；
，为空气的密度，kg／m3，干燥空气的密度可由下式计算：
，式中：ρ，空气密度，kg/m3；t温度，℃；P1使用大气压力，Pa；
，为空气的比热，kJ/(kg·℃)；
，为冷却空气出口温度，℃；
，为冷却空气入口温度，℃；
上述计算出的风量为带走发热量所需风量。考虑风量的泄漏损失及提高散热的可靠性，工程中按照1.5～2倍的裕量选择风扇的最大风量。
根据风量计算值和风道截面（实际的风道设计方案确定），能够计算需要的风速，如果风速值接近自然对流的风速（<0.5m/s），能够采用自然冷却方式。
3、风阻计算确定风机工作点
（参考：电子设备中高功率器件的强迫风冷散热设计.张忠海.电子机械工程）
系统压力损失（也称压降）包括沿程压力损失和局部压力损失。沿程压力损失，它是由流体流经管道壁面时与壁面之间的摩擦引起，也称为静压损失；局部压力损失，它是由流体进、出口以及流经弯头、截面突变、滤网等处引起的，也称为动压损失。
沿程压力损失计算公式：
‥…‥…⑿
式中：，沿程压力损失，Pa；
f ，沿程阻力系数；
l ，管道长度，m；
v ，空气平均流速，m/s；
ρ，空气密度，kg/m3；
de，当量直径，，a、b为矩形风道的边长。
对于光滑的管道，其沿程阻力系数f只是Re的函数，可用下列公式计算：
a. 层流时，；
b. 紊流且Re≤105时：；
c. 紊流且105 ＜Re＜3× 106时：；
由式⑿能够得到风道的风量和风阻关系曲线，在风机与风道的特性曲线图中画出，两条曲线的交点为风机的工作点，即风道的风阻力。该点应在特性曲线变化率最小的点附近，风机的工作效率最高。

表1 某些典型接触面的接触热阻值
（参考：电子设备热设计及分析技术.余建祖.高等教育出版社）
表面状况
接触热阻×104/(m2·K/W)
金
属
与
金
属
干接触
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
导热衬垫
高
1.10
中（平均）
0.65
低
0.32
垫铟片
(厚0.005mm)
干接触
高
0.58
中（平均）
0.45
低
0.32
垫云母片
(厚0.02～0.03mm)
干接触
高
11.29
中（平均）
7.74
低
3.87
硅脂
高
6.45
中（平均）
3.87
低
1.94
垫氧化铍
(厚0.02～0.062mm)
干接触
2.0
垫铟铂
0.90
灌环氧树脂
0.71

表2 电子设备常见材料导热系数
（参考：电子设备热设计，赵惇殳，电子工业出版社）
材料名称
导热系数W/(m·℃)
材料名称
导热系数W/(m·℃)
铝
216
硅（纯）
146
铍
177
硅（掺杂到电阻率2..5×103Ω·cm
98.4
铍铜
106.3
黄铜（70%，30%锌）
122
氧化铝，矾土（99.5%）
27.6
铜
394
氧化铝，矾土（85%）
11.8
金
291
氧化铍（99.5%）
197
铁
66.9
氧化铍（97%）
157
柯伐合金
16.5
氧化铍（95%）
118
铅
34.3
氮化硼（热压）
39.4
镁
157
金刚石
630
钼
130
环氧树脂
0.197
梦乃儿合金
19.7
导热环氧树脂
0.787
镍
90.6
热沉混合物（金属氧化物负载环氧树脂）
0.394
银
417
321不锈钢
14.6
云母
0.709
410不锈钢
24
聚酯树脂薄膜
0.197
低碳钢
66.9
酚醛塑料
0.197
锌
102
硅润滑油
0.197
锡
63
硅橡胶
0.197
钛
15.7
聚四氟乙烯
0.197
钨
197
硅脂
0.197
砷化镓
59.1

0.197