风冷散热对器件散热的应用

时间：2022-10-05 21:02:20 大专毕业论文我要投稿

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风冷散热对器件散热的应用

　　风冷散热对器件散热的应用【1】

　　摘要：随着工业产品的快速发展，产品的散热显得尤为重要。

　　文章选择风冷散热器来进行研究，简单阐明了散热设计中的散热计算、散热器选择、风冷散热计算和风扇选择等步骤，完成简单的风冷散热器设计。

　　关键词：散热计算，散热器，风冷散热，风扇

　　1 概述

　　伴随着现代高科技工业技术的不断发展和进步，电子电气类产品集成度不断地提高，产品的功能结构设计的也越来越紧凑，但是任何的器件在工作时都存在一定的损耗，而且其中大部分的损耗是变成热量消耗掉，甚至这部分热能还为设备的使用寿命埋下隐患。

　　部分功率器件由于功率小或散热速度足以抵消热量产生，故不需要散热装置。

　　而其他大功率的器件若不采取合适的散热措施，则可能致使器件的温度超过允许的结温，使得器件遭受损坏[1]。

　　所以我们常常将功率器件安装在合适的散热器上，利用散热器的翅片的工作，将大部分的热量用较快的速度散到更大的空间中去，必要时在流通通道中加装风扇，强迫空气对流起来加速热量耗散，或者利用水冷、油冷等其他强迫散热手段。

　　散热并不是随意而为之，必须经过合理的热量计算，选择合适的散热器和强迫散热手段。

　　在此以风冷散热为对象来进行研究。

　　2 散热器散热的计算

　　我们将一些大功率器件安装在合适的散热器上，而热量在传递过程中，往往形成一定热阻，散热器安装上后却能使产生的热阻大大减小。

　　而热量总是向着热阻最小的方向流动，所以功率器件上的热量基本是通过散热器上散发出去的。

　　只有很少的热量从器件其他方向散发出去。

　　故设定由器件管芯到底部的热阻为RJC，器件底部与散热器接触的热阻为RCS，散热器散热的热阻为RSA，器件的最大功率损耗为PD，并已知器件允许的结温为TJ、环境温度为TA，忽略其他热阻[2]，则总热阻为：

　　RJA=RJC+RCS+RSA≤(TJ-TA)/PD

　　则允许最大散热器散热的热阻RSA为：

　　RSA≤(TJ-TA)/PD-(RJC+RCS)

　　计算要以最大余量来考虑，所以设TJ=125 ℃，环境温度TA=40～60 ℃，RJC的大小和管芯的尺寸封装结构有关，这一点很多厂家说明中都有提到，还可以通过厂家提供的器件样本数据中查到。

　　其中RCS的大小常常和安装技术以及大功率器件的封装方式有关，器件与散热器间涂了导热油脂的RCS典型值为0.10.2 ℃/W。

　　PD可根据不同器件的工作条件计算而得。

　　如此将RSA最大值计算出来，再通过查散热器的产品手册，找出合适的散热器即可。

　　需要注意的是，以上计算值选值只作为参考意见，实际数值选择视实际工作环境而定。

　　3 散热器概要

　　功率器件常用的散热器分为三种类型：平板散热器、型材散热器和叉指型散热器。

　　散热器一般来说都是标准件制造，国产型材散热器常见型号为XC、DXC、XSF系列。

　　型材散热器在工业中较为常用，一般都是铝制品，其散热面积比较大。

　　而叉指型散热器有散热体积小、对流效果好、重量轻便于携带和安装等优点。

　　国产叉指型散热器往往可以根据用户可根据要求，切割成需要的长度，来制成非标散热器，常见的国产叉指型散热器的型号为SRZ系列。

　　散热器到环境的热阻随着散热器上的最大功率损耗PD增大而略微下降，因为当PD增大时，散热器上温升(TJ -TA)也会变大，从而使散热器的辐射散热和对流散热的散热能力增强，故表现为热阻呈下降趋势。

　　注意如果器件内部电路与散热器之间不是绝缘的，则可以安装云母垫片来进行绝缘，可以防止短路的发生。

　　如果在使用过程中器件的引脚，需要穿过散热器，那么久要在散热器上要钻孔，此时可以套上聚四氟乙稀套管，来防止引脚与孔壁相碰。

　　散热器要保持接触面光洁，要远离电源变压器、大功率晶体管等热源，可通过将散热器处理成黑色来提升散热效率。

　　4 风冷散热计算

　　运用风扇对散热器进行强制对流散热，可以更好地保证热量快速扩散。

　　在此，首先根据风速进行散热设计。

　　设定需要散热热量为PD，空气密度为ρ，热容量为Cp，空气体积流量为Q，进气温度为Ti，排气温度为To。

　　则风速计算如下式：

　　PD=ρCpQ(To-Ti)

　　其中，ρ，Cp取标准大气压下通用值，(To-Ti)取10～15 ℃，PD取功率损耗最大值，则可求出Q值。

　　另外，设气流通过面积为A，空气流速为v，则：

　　v=Q/A

　　一般来说，风扇的参数是在理想状态下标定的，故实际运用中，风扇要承受更多的阻力等影响，所以实际选择风扇参数时，一般使实际计算值等于风扇额定值的60%～80%左右。

　　5 风扇与散热器之间距离影响

　　在功率器件强迫吹风冷却情形下，由于吹风引起的风扇旋涡存在，导致散热器与风扇间的距离对其流场均匀度影响较大，当散热器与风扇间的距离足够大时，风扇旋涡对流场的影响较小(从理论上讲)，然而在工业产品设计过程中，一方面往往由于受设计体积的限制，不可能允许散热器与风扇间的距离太大，另一方面，风扇与散热器距离如果过大，减弱了风扇的散热效果，也影响了散热器的功效，故在有限的空间进行合理的距离调试是必要的。

　　如果在有软件辅助的基础上，利用FLOTHERM热仿真分析软件，通过合理控制热设计冗余，可以得出一个较合理的风扇与散热器的距离，为电源产品的结构设计提供借鉴[3]。

　　或者选用最基本的多点测试方法，具体如下：

　　在散热器表面和翅片上黏贴一些温度传感器(如热电偶)。

　　设风扇与散热器之间的距离为L，假设L的变化范围是0～25 cm，则散热器不变，移动风扇，变换L值。

　　一般移动2～3 cm测量一次温度。

　　将同一点的传感器所测量的温度进行比较，寻找最低温度所对应的风扇位置。

　　当然这种测试方法比较原始，在某些环境下测量并不是很明显。

　　比如L的可变范围比较小，虽然在一定范围内L越大，散热越均匀，散热效果应该越好，但由于距离短，如果测试精度低，可能测得的数据变化并不明显。

　　其次，在较为密闭和比较开放的空间，散热效果的变化也会差异很大。

　　另外，散热器越大，对应散热风扇越大，散热器和风扇间的最佳距离也会跟随变大。

　　6 结语

　　对风冷散热器的设计必须经过散热计算、散热器选择、风冷散热计算和风扇选择等步骤，散热器和风扇之间的距离也要适当调节。

　　另外还可以对散热器散热分布等进行计算，通过软件对散热结构进行仿真。

　　从而达到一个在特定条件下最优的散热解决方案。

　　参考文献：

　　[1] 李冰，李岩.浅谈热管及其在电子器件散热方面的应用与发展[J].甘肃科技，2009，(7).

　　[2] 张诚坚，高健，何南忠.计算方法[M].北京：高等教育出版社，1999.

　　[3] 李泉明.风扇出风口与散热器间的距离对模块散热的影响研究[J].

　　风冷半导体空调的散热实验【2】

　　【摘要】为了进行试验，我们假设由两组半导体模块组成的半导体空调系统，制冷空间为850 mm×850 mm×850 mm，性能系数COP为0.80，整个系统输入功率为200 W。

　　试验结果表明，半导体热电堆存最合适的储冷块厚度是10 mm，在12 V、2.8 A工况下，TEC1-12708型半导体制冷片可以得到较大的实际制冷量。

　　【关键词】风冷半导体空调;散热;实验

　　本文将对有无储冷块或储冷块的厚度对半导体制冷器热端强制风冷散热的影响进行探讨，以期找到能使热电制冷的综合性能达到最优的储冷块。

　　1 半导体制冷模块

　　确定实验台所采用用的铝块厚度是实验的前提准备工作。

　　图1是单元模块实验结构示意图，通常情况下，实验中采用的储冷块分别为10mm和20mm。

　　在每次实验时，为了减少变量，半导体制冷片及风机功率不变。

　　我们这次实验目的主要是为了比对单元模块加以下哪种储冷块更合适。

　　①不加储冷块;②10mm厚度的储冷块;③20mm厚度的储冷块。

　　2 单元模块实验

　　2.1 不加储冷块

　　图2是在12、14、16、18、20、22 V的电压下，冷风温度随时间变化的曲线，这次不加储冷块。

　　经过对图2的观察，我们知道在4min之前，下降很快，当随着时间的增加温度开始回升。

　　并且，电压为14 V时，冷风温度已达到最低，也就是说温度和电压不是成反比的关系。

　　2.2 加10mm厚度的储冷块

　　图3是在加10mm厚度的储冷块的情况下，冷风温度随时间变化的曲线。

　　在10、12、14、16、18、20 V的电压下，有不同的曲线走势。

　　经过对图3的观察，我们知道在9 min之前，下降很快，以后温度稳定下来。

　　并且，在这种情况下，电压为12 V时，冷风温度达到最低。

　　经过和图2的比对我们发现，温度平衡后更加稳定，但降到最低温度所需的时间更长。

　　2.3 加20mm厚度的储冷块

　　图4是在12、14、16、18、20 V的电压下，冷风温度随时间变化的曲线，这次加20mm厚度的储冷块。

　　经过对图4的观察，我们知道在10 min之前，下降很快，以后温度开始稳定。

　　并且，在这种情况下，电压为16 V时，冷风温度降低幅度减小。

　　经过和图2的比对我们发现，温度平衡后更加稳定，但降到最低温度所需的时间更长。

　　3 单元模块对比实验结果

　　图5～8是热端温度在单元模块中不加储冷块，加10 mm厚储冷块、加20 mm厚储冷块的工况下随时间变化的曲线图，电压(12、14、16、18 V)不同，曲线变化也不尽相同。

　　通过对图5～8的观察对比，我们知道，储冷块厚度与冷风温度并不是成反比的关系，反而随着储冷块厚度的增加，热端温度逐渐升高。

　　这是因为加储冷块后，冷端散热器和热端散热器之间的距离变大，导致半导体制冷片热端产生的热量和冷端产生的冷量无法及时散出。

　　同时，冷端散热器得到热端散热器以辐射等方式传递过来的大量的热，导致冷端温度居高不下，而热端散热器把大量的热传给冷端散热器后，热端散热片温度相对较低。

　　4 结束语

　　通过实验我们知道，热端散热器离冷端散热器越远，冷端散热器所接收到的由热端散热器传递的热量就越少，而储冷块更加大热端散热器与热端散热器之间的距离，所以应该加储冷块。

　　并且，加储冷块后，能明显降低热端对半导体制冷片冷端产生冷量的影响，也就是说，加储冷块可以使冷端风温度更低。

　　综合考量来看，采用10mm储冷块，在12V的电压下，不仅能保证以较小的功率得到较优的制冷效果，还能保证稳定性，达到最佳的综合性能。

　　参考文献：

　　[1]金刚善，等.小空间半导体制冷的实验研究[J].兰州理工大学报，2004

　　[2]秦锋，等.太阳能半导体空调的实验研究与数值分析[J].兰州理工大学学报，2007

　　机电工程中功率器件的散热研究【3】

　　【关键词】功率器件;散热

　　1.散热器基础

　　作为散热器的铝合金型材，通常采用的是6000系列镁硅铝合金，其供应状态包括T4、T5、T6。

　　模块的散热器选配，其散热器主要选用6063铝合金型材。

　　在众多的铝合金材料中，6063的导热系数是较高的，达到209 W/mK，与纯铝的导热系数237 W/mK比较接近。

　　其抗拉强度适中，厚度可小于6 mm。

　　供应状态T5系由高温成型过程冷却后，不经过冷加工(可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限)，型材变形系数小，硬度一般，适宜作为功率器件的散热器。

　　平板器件作为大电流的半导体器件，散热器是作为电极导电的，表面不宜进行氧化处理。

　　2.选配散热器的原则

　　散热器的选取原则，应使模块芯片的实际工作结温低于芯片的最高允许结温。

　　无论是连续工作制还是短时工作制，都不允许器件超结温。

　　晶闸管结温不超过125℃(398.15K)，整流管结温不超过150℃(423.15K)。

　　模块在使用时，必须配备适当的散热器。

　　为保证功率半导体器件正常工作，散热条件至关重要，主要涉及环境温度、空气流动、环境污染程度等情况。

　　随着环境温度的升高，器件P-N结到散热器的温差变小，严重影响散热效果。

　　空气流动越通畅，散热器向环境散热就越快，反之则散热变慢。

　　环境污染越严重，散热器上覆盖的灰尘就会越多，不仅为散热器向环境散热增加了一个阻挡层，也使得散热风机的叶片结垢而影响转速，会严重影响散热效果。

　　器件工作的空间大小也与散热有关，狭小的空间会造成热量聚积，减小模块到散热器的温度梯度，影响散热。

　　因此，要注意保持环境的清洁，设备上的灰尘也应及时清理。

　　晶闸管模块的热阻与功耗计算，按以下经验公式：

　　Rja= (Tj-Ta)/ PT(AV)=Rjc+Rch+Rha (1)

　　PT(AV)=VTOITAV+rTIeq RMS (2)

　　或 PT(AV)=(0.785VTM+0.215VTO)ITAV (3)

　　式中：

　　PT(AV)――模块芯片耗散功率

　　IRMS――通态电流交流有效值

　　ITAV /IFAV――晶闸管/整流管通态平均电流

　　rT /rF――晶闸管/整流管斜率电阻

　　VTM /VFM――晶闸管/整流管通态峰值电压

　　VTO /VFO――晶闸管/整流管阈电压(门槛电压)

　　Rch――模块基板与散热器的接触热阻

　　Rja――芯片与环境间热阻(总热阻)

　　Rjc――模块结壳热阻

　　Rha――散热器热阻

　　Ta――模块使用环境温度

　　Tc――模块基板温度(壳温)

　　Tj――P-N结温度

　　3.连续工作制的散热器选配

　　连续工作制的半导体器件，选配散热器要充分考虑影响热传导的各种因素。

　　散热器的选配只能是半定量计算，环境温度、散热空间、灰尘、空气流速等环境因素对散热条件均有影响，选配散热器时要多方考虑。

　　散热器的散热效果主要取决于散热器的表面积，其表面积越大，散热效果就越好。

　　计算散热器表面积时，其端面可忽略。

　　要增大散热器表面积可增加其长度，但散热器的长度又不能无限制，而且，散热器的热阻与其长度非线性关系!模块热量的传导以垂直方向为主，横向传导则要慢很多，因此，单纯依靠加长散热器是不可取的，而且在散热器长度增加的同时也增大了风阻，从而降低了散热效率。

　　而7m/s以内的空气流速对散热器的热阻影响却很明显。

　　若利用公式(2)或公式(3)，通过计算，得到某模块的耗散功率为240W，模块的结壳热阻Rjc=0.08K/W，模块与散热器的接触热阻Rch=0.05K/W，环境温度按最高温度40℃，则按公式(1)，有

　　Rja= (Tj-Ta)/ PT(AV)=(125-40)/240=0.35(K/W)

　　又Rja=Rjc+Rch+Rha，则

　　Rha=Rja-Rjc-Rch=0.35-0.08-0.05=0.22(K/W)

　　据此，可选择DXC-616散热器长度为100 mm、风速4 m/s的散热条件即可，或者DXC-616散热器长度为50 mm、风速不低于7 m/s(对风机要求较高)的散热条件也可。

　　在实际工作环境下，模块的通态平均电流不会达到额定值，可根据实际情况酌情考虑。

　　如果梳状散热器没有相关试验曲线，我们也可按下面的公式选配散热器：

　　式中：

　　H――散热器齿高

　　K――散热器导热系数(6063铝合金的导热系数209 W/mK)

　　l――散热器长度

　　L――散热器截面周长

　　v――风速

　　w――散热器齿宽

　　n――散热器齿数

　　最后得到的结果，Rha单位为K/W

　　4.短时工作制的散热器选配

　　短时工作制，指的是功率半导体器件的持续工作时间不足以使散热系统达到热平衡，而其空载(或不工作)时间足以使系统恢复到环境温度。

　　按国家标准，短时工作标准时间分为7种(30 s～90 min)。

　　短时工作制下，散热器的主要作用不是散热，而是吸收热量，这就要求散热器要有足够的热容量，在理想状态下，可把功率半导体模块的功耗发热全部吸收。

　　实际工作中，虽然散热器在吸收热量的同时也向环境中释放热能，但因热阻的存在会使热量传递过程受到一定的阻碍，而且这种阻碍的效果远大于散热器的放热效果，致使散热器的温度远远低于芯片结温。

　　因此，在计算过程中，我们会忽略散热器向环境释放的热能。

　　按GB/T3190-2008《变形铝及铝合金化学成分》的要求，作为散热器的铝合金型材，其铝的含量一般在98%～99%，我们可按纯铝的比热容0.88kJ/(kg・K)来计算。

　　以某厂家的KP2500-16平板硅为例，VTM=1.80V，VTO=0.75V，负载电机的每相工作电流有效值为1455A，短时工作环境为4倍电流、时间为30s。

　　则

　　每路反并联平板硅通流的有效值为1455×4=5820A

　　每支平板硅通流的平均值为5820/2.2=2645A，略大于平板硅的额定值。

　　PT(AV)=(0.785VTM+0.215VTO)ITAV=(0.785×1.80+0.215×0.75)×2645=4164(W)

　　短时工作发热量Q=PT(AV)tw=4164×30=124920J=124.92kJ

　　设定环境最高温度为40℃，允许最高壳温85℃，则有

　　124.92/(0.88×45)=3.15kg

　　每一组反并联的平板硅需铝合金散热器3.15×2=6.3kg

　　如将上例中的散热器改为铜材，铜的比热容为0.39 kJ/(kg・K)，则有

　　124.92/(0.39×45)=7.12kg

　　每一组反并联的平板硅需铜材散热器7.12×2=14.24kg

　　5.结语

　　功率半导体器件的散热器选配，只能是一种半定量计算，与实际情况相比，一定会存在偏差。

　　在结合实践经验的基础上，还要根据实际工作进行相应的试验。

　　掌握器件的极限值、进行功耗计算是关键，确定散热器热阻，在此基础上选择相应的散热器。

　　因各种因素的影响，还需进行模拟实际工作情况试验，才能选配合适的散热器，既能保证功率半导体器件的散热所需，又不会造成设备空间和设计成本的浪费。

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