电力电子设备热规划的剖析及运用

发表时间:2022-07-03 04:05:54作者:亚博体彩中心

  运用数学手法及经过核算机模仿,在规划阶段取得温度散布。在规划初期就能发现产品的热缺点,然后改善其规划,树立一个满意牢靠性要求的环境温度操控体系。也便是规划一个冷却体系,在热源至热沉之间供给一条低热阻通道,确保热量顺畅传递出去。操控电子产品内部一切电子元器材的温度,使其在设备所在的作业环境条件下不超越最高答应温度,确保电子产品在规则的热环境下牢靠作业。

  规划一个冷却体系,在热源至热沉之间供给一条低热阻通道,确保热量顺畅传递出去。

  温度对电子产品牢靠姓影响极大,特别对半导体器材最为灵敏,如下图所示,简直一切电子元器材参数都与温度有关。

  电子产品热规划应首要依据设备的牢靠性方针及设备所在的环境条件确认热规划方针,热规划方针一般为设备内部元器材答应的最高温度,依据热规划方针及设备的结构、体积、分量等要求进行热规划,首要包含冷却方法的挑选、元器材的装置与布局、印制电路板、电阻、电抗器、变压器、模块散热结构的规划和机箱散热结构的规划。

  ⑴ 热特性:设备或元器材的温升随热环境改变的特性,包含温度、压力和流量散布特征。

  ⑺ 温度梯度:等温面的法向方向上单位间隔所引起的温度增量界说为温度梯度。

  ⑼ 热沉:是一个无限大的热容器,其温度不随传递到它的热能巨细而改变。它也或许是大地、大气、大体积的水或世界,又称热地。

  ⑴ 传导散热是指物体直触摸摸时,能量交流的现象。在不同的物体中,其导热机理各不相同,在非导电固体和液体中,首要依托物体内部分子运动的弹性波在传递热量。在金属导体中,首要依托自由电子的运动传递能量。因而,导电功能好的资料,其导热功能也好,气体的导热首要依托分子的不规则运动传递能量。传导散热量核算如下:

  ⑵ 对流换热是流体流过固体壁面时的一种能量交流现象,它与流体的微观运动密切相关,并且与流体的物理性质以及换热面的几许形状,放置方位等要素有关。在详细研讨或核算对流换热时,应留意核算用的原则方程的约束条件。对流散热量核算如下:

  ⑶ 热辐射是靠电磁波传递能量的一种现象。在传递过程中,有能量方法的转化,即热能变成辐射能,被物体吸收后,又变成热能。热辐射不需求介质,在真空中热辐射最强,故外层空间的飞行器外表运用辐射换热较为有利。辐射散热量核算如下:

  ⑵ 设备周围的作业环境,经过导热、对流和辐射的方法,将热量传递给电子设备。

  ⑶对少数要害发热元器材进行应力剖析,确认其最高答应温度和功耗,并对其失功率加以剖析。

  ⑺依据暖流密度等要素对热阻进行剖析与分配,并对此加以评价,确认传热方法和冷却技能。

  ⑴电阻器。电阻器的温度与其方法、尺度、功耗、装置方位及方法、环境温度有关,一般经过自身的辐射、对流和引出线两头的金属热传导来散热,在正常环境温度下,经实验得知,对功率小于0.5W的炭膜电阻,经过传导散去的热量占50%,对流散热占40%,辐射散热占10%。因而在装置电阻器时,要使其引出线尽或许短,以减小热阻,装置方法应使其发热量大的面垂直于对流气体的通路,并加大与其他元器材之间的间隔,以添加对流散热作用,电阻器的外表涂以无光泽的粗糙漆,可进步辐射散热才能。

  ⑵变压器。铁芯和线包是变压器的热源,传导是其内部的首要传热途径,因而要求铁芯与支架,支架与固定面都要细心加工,确保杰出触摸,使其热阻最小,一起在底板上应开通风孔,使气流构成对流,在变压器外表涂无光泽黑漆,以加强辐射散热。

  ⑴模块热规划是使模块在上述任一传热途径上的热阻足够低,以确保元器材温度不超越规则值,将界面温度即散热片或导轨的外表温度操控在0℃~60℃。模块的热规划有两类问题:依据模块内部要求进行规划,包含界面温度、功耗和元器材的许用温度等;依据体系的环境、封装、单个或组合的模块功耗等要求,对整个体系进行热规划。

  ⑵ 模块内部的热规划。为满意电子模块的牢靠性要求,规划上有必要确保模块处于最大功耗时及在其额外界面温度下,使一切元器材的温度低于元器材的临界温度(即比有关标准规则的额外值的100%低20℃的温度)。元器材的瞬态临界温度(指额外值)可看作安全因子,当散热片和导轨温度到达80℃(比最高界面温度高20℃)时一切元器材的温度应低于或等于元器材的瞬态临界温度。

  ⑶ 对确认的冷却方法进行剖析(如逼迫风冷的风机数量,选型,级联方法,风道尺度,风量巨细,操控方法等)。

  电子设备的机壳是承受设备内部热量,并经过它将热量散发到周围环境中去的一个重要热传递环节。机壳的规划在选用天然散热和一些密闭式的电子设备中显得分外重要。实验标明,不同结构方法和涂覆处理的机壳散热作用差异较大。机壳热规划应留意下列问题:

  (1)添加机壳表里外表的黑度,开通风孔(百叶窗)等都能下降电子设备内部元器材的温度;

  (2)机壳表里外表高黑度的散热作用比两测开百叶窗的天然对流作用好,表里外表高黑度时,内部均匀降温20℃左右,而两边开百叶窗时(表里外表亮光),其温度只降8℃左右;

  (3)机壳表里外表高黑度的降温作用比单面高黑度的作用好,特别是进步外外表黑度是下降机壳外表温度的有用方法;

  (4)在机壳表里外表黑化的基础上,合理地改善通风结构(如顶板、底板、左右两边板开通风孔等),加强空气对流,能够明显地下降设备的内部温度环境;

  (5)通风口的方位应留意气流短路而影响散热作用,通风孔的进出口应开在温差最大的两处,进风口要低,出风口要高。风口要挨近发热元件,是冷空气直接起到冷却元件的作用;

  (6)在天然散热时,通风孔面积的核算至关重要,图3示出了通风孔面积与散热量的联系,可供规划通风口时作依据,亦可依据设备需求由通风口的散热量用下式核算通风孔的面积。

  Q通风孔天然散热的热量〔设备的总功耗p去壁面天然对流和辐射散去的热量〕〔W〕;

  (7)通风口的结构方法许多,有金属网,百叶窗等等,规划时要依据散热需求,既要使其结构简略,不易落灰,又要能满意强度,电磁兼容性要求和美观大方。

  (8)密封机壳的散热首要靠对流和辐射,决定于机壳外表积和黑度,能够经过减小发热器材与机壳的传导热阻,加强内部空气对流(如风机)添加机壳外表积(设散热筋片)和机壳外表黑度等来下降内部环境温度。

  当天然冷却不能解决问题时,需求用逼迫空气冷却,即逼迫风冷。逼迫风冷是运用风机进行鼓风或抽风,进步设备内空气活动速度,到达散热的意图。逼迫风冷的散热方法首要是对流散热,其冷却介质是空气。逼迫风冷在中、大功率的电子设备中运用较广范,因为它具有比天然冷却多几倍的热搬运才能,与其他方法的逼迫冷却比较具有结构简略,费用较低,保护简洁等长处。

  鼓风冷却的特点是风压大,风量比较会集。适用于单元内热量散布不均匀,风阻较大而元器材较多的状况。

  抽风冷却的特点是风量大,风压小,风量散布较均匀,在逼迫风冷中运用更广泛。

  对无管道的机柜抽风,整个机柜相当于一个大风管,要求机柜四缜密封好,测壁上也不该开孔,只答应有进、出风口。考虑热空气上升,抽风机常装在机柜上部或顶部,出风口面临大气,进风口则装在机柜下部,这种风冷方法常适用于机柜内各元件冷却外表风阻较小的设备。关于在气流上升部位有热敏元件或不耐热元件的设备则有必要用风道使气流避开,并沿需求的方向流入其进风口,通常在机柜旁边面,出风口(抽风口机)在机柜顶部。

  从传导公式能够看出,在器材内热阻,界面热阻和散热器热阻必定的状况下,器材功耗直接影响结温。因而,热规划的使命便是尽或许削减界面热阻和散热器热阻。对器材与散热器的触摸面进行光亮处理、适度添加触摸压力、充分运用触摸面积、削减触摸面刺进物质厚度和选用低热阻率的导热绝缘衬垫能够有用下降界面热阻。运用导热衬垫时还要考虑六个月今后的界面热阻会有约20%的添加。

  首要依据主功率模块(IGBT)的发热量来选用散热器,散热器的挑选最好是基面和散热齿是全体揉捏的结构,这种散热器热阻小,有利于模块的散热。

  考虑到六个IGBT模块的发热量比较大,选用天然风冷不能解决问题,所以选用逼迫风冷抽风冷却的方法。风机选用德国进口ebm三相700W的大风机。

  为了进步散热作用,在六个主功率模块后边制造一件漏斗,别的将散热器的前断面紧贴主机柜的前门,缩短风道长度利于散热。

  在主机柜正对着模块散热器的部位开六个长方形的进风口,使每个模块都构成各自独立的风道,大大地进步了散热作用。

  考虑主机柜下面的电抗器及电阻的发热会影响主功率模块的散热,所以将电抗器和电阻部分的热量规划成别的的一件漏斗,后部选用逼迫风冷的抽风结构,将电抗器和电阻的热量抽出,这样主功率模块和下面的电抗器及电阻各自构成自己的风道,互不搅扰,确保整个元器材的有用散热。

  热规划的基本理论除了传热学和流体力学外,还触及物理学、化学、资料学、环境学及数学等学科,它是归纳学科的反映,一个好的热规划师有必要把握热规划的基本理论,及相应的常识。

  热规划是全方位的,从体系、整机、单元、模块到元器材和原资料都要归纳剖析和规划,各有各的热规划特殊性,有必要进行全方位的进行热规划,有一个方面考虑不周,或许导致产品热规划不能满意要求,进而使产品牢靠性不能满意用户要求。

  热规划〔操控〕是全过程的,从产品方案规划、规划与研发、出产与运用有必要进行全过程热规划〔操控〕监控,只需有一个环节失控,就达不到热规划预订的方针。

  热规划与技能功能规划、电路规划、机械结构规划、工艺规划、EMC规划、修理性规划、安全性规划等既统一又彼此限制,有必要全面统筹考虑,优化规划。

  为了得到最隹热规划,往往会添加规划本钱,这就需求热规划们进行权衡优化,在热规划前提出最优的热规划方案,并予以施行。

  因为导热体系杂乱,不确认要素较多,因而,理论核算出的值与实践是有距离,可作为规划的辅导,因而规划完结之后,有必要进行热丈量和热剖析,以修正热规划。

  随同科学技X的开展,一些新的导热技能不断涌现,如:蒸腾冷却、热管散热、半导体致冷等。

  本文经过电力电子设备热规划剖析,给予从事热规划人员的一些引导和启迪,随同新的热规划技能的运用,热规划也必将推进可再生能源的开展。

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