電力中的電子設備熱效應分析及應用

1 引言

在風機變流器和光伏并網(wǎng)逆變器的整機設計中，主功率模塊、電抗器及電阻的熱設計是非常關鍵的。要保證上述元器件在許可的溫度下正常工作運行，熱量的分析及散熱設計至關重要。本文通過對電力電子設備的熱分析，能很好解決以上問題。

2熱分析的目的

利用數(shù)學手段及通過計算機模擬，在設計階段獲得溫度分布。在設計初期就能發(fā)現(xiàn)產品的熱缺陷，從而改進其設計，建立一個滿足可靠性要求的環(huán)境溫度控制系統(tǒng)。也就是設計一個冷卻系統(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。控制電子產品內部所有電子元器件的溫度，使其在設備所處的工作環(huán)境條件下不超過最高允許溫度，確保電子產品在規(guī)定的熱環(huán)境下可靠工作。

3 熱設計的核心

設計一個冷卻系統(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。

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

圖 1 電子元器件故障率與溫度的關系

4 熱設計的基本要求

電子產品熱設計應首先根據(jù)設備的可靠性指標及設備所處的環(huán)境條件確定熱設計目標，熱設計目標一般為設備內部元器件允許的最高溫度，根據(jù)熱設計目標及設備的結構、體積、重量等要求進行熱設計，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、模塊散熱結構的設計和機箱散熱結構的設計。

電子設備的熱設計要與電路設計和結構設計同時進行，滿足設備可靠性的要求。

熱設計與維修性設計相結合，可提高設備的可維修性。

5 熱設計中術語的定義
⑴ 熱特性：設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：單位面積的熱流量。
⑶ 熱阻：熱量在熱流路徑的阻力。
⑷ 內熱阻：元器件內部發(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2℃時，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：提高流體流動紊流程度并改善散熱效果的裝置。
⑼ 熱沉：是一個無限大的熱容器，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、對流和熱輻射三種。

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


⑵ 對流換熱是流體流過固體壁面時的一種能量交換現(xiàn)象，它與流體的宏觀運動密切相關，而且與流體的物理性質以及換熱面的幾何形狀，放置位置等因素有關。在具體研究或計算對流換熱時，應注意計算用的準則方程的限制條件。對流散熱量計算如下：
Q=hA△t （2）
式中：
Q——對流散熱量，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，℃