學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密囗，在10年解密后適用本授權(quán)書2、不保密囗。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名年月日導(dǎo)師簽名年月日武漢理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目電源機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化（一）設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容利用SOLIDWORKS等軟件對(duì)一款逆變器機(jī)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，要求美觀緊湊。該逆變器參數(shù)為輸入電壓為350V直流電，輸出電壓為220V單相交流電，功率為6KW，采用基于MOS管的技術(shù)。并利用溫度分析軟件分析在該架構(gòu)下的溫度分布情況，最后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。（二）完成的主要任務(wù)及要求1、用SOLIDWORKS建立各元件圖形模型。2、用SOLIDWORKS完成整機(jī)設(shè)計(jì)。3、用溫度分析軟件對(duì)該架構(gòu)溫度分布情況進(jìn)行分析，并進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。4、讀本人研究生者優(yōu)先選擇。（三）完成任務(wù)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)第1周，選題；第2周，下載任務(wù)書，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，明確研究目標(biāo)，了解研究所需數(shù)據(jù)資料的收集方式與分析工具的使用；第3周，確定研究?jī)?nèi)容，開始外文資料的翻譯，完成開題報(bào)告；第4周，開題報(bào)告審查；第56周，中期檢查，進(jìn)行研究?jī)?nèi)容的數(shù)據(jù)收集、理論分析與設(shè)計(jì)；第79周完成論文相關(guān)研究工作；第10周，完成畢業(yè)論文的初稿；第1112周，修改畢業(yè)論文，上傳畢業(yè)論文；第1314周，修改論文，提出答辯申請(qǐng)，準(zhǔn)備論文答辯；第15周，畢業(yè)論文答辯；第16周，整理畢業(yè)論文上交。（四）必讀參考文獻(xiàn)1劉兵ICEPAK軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用電腦知識(shí)與技術(shù)201305115111652閻兆軍電子機(jī)箱熱分析建模與仿真技術(shù)研究西安西安電子科技大學(xué)2010013陳捷愷6KWDC/DC變換器熱分析及散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化武漢武漢理工大學(xué)2014054朱敏波趙淳殳王世萍電子設(shè)備機(jī)箱熱分析軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助工程1997026064指導(dǎo)教師簽名年月日系主任簽名年月日院長(zhǎng)簽名章年月日論文開題報(bào)告1、目的及意義對(duì)于基于MOS管的的大功率逆變器，溫度是保證其工作可靠性的決定因素之一，因此，對(duì)逆變器機(jī)箱進(jìn)行熱分析并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是MOS管逆變器設(shè)計(jì)不可或缺的環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，55以上電子設(shè)備損壞失效都是因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良所致。其失效率隨著溫度的升高呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，甚至有的器件環(huán)境溫度每升高10，失效率增大1倍以上。尤其是場(chǎng)效應(yīng)逆變器中的功率器件，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，若不及時(shí)排除，將引起電子電路板的熱流密度過高，影響電路的可靠性和壽命。電源電路內(nèi)部的溫升超過極限值時(shí)，將導(dǎo)致元器件失效。所以，對(duì)逆變器機(jī)箱進(jìn)行熱設(shè)計(jì)和熱分析，在產(chǎn)品的整個(gè)過程中有著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，或應(yīng)用有限的換熱公式進(jìn)行預(yù)先估計(jì)，生產(chǎn)出成品后，再通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。產(chǎn)品若不能滿足要求，就要經(jīng)歷修改、再設(shè)計(jì)、再生產(chǎn)、再檢驗(yàn)。顯然，這種傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法已不能滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行有效的熱仿真是非常必要的。熱分析軟件能夠比較真實(shí)地模擬系統(tǒng)的熱分布狀況，能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行熱仿真，確定模型中的溫度最高點(diǎn)。通過對(duì)模型進(jìn)行修改或采取必要的散熱措施，消除其熱問題，使其最高溫度在允許的溫度范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)師必須對(duì)熱設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的分析和研究，才能更好地解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的問題。熱設(shè)計(jì)的目的就是要改進(jìn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料的選擇，尋求最佳的導(dǎo)熱材料與散熱結(jié)構(gòu)，使整個(gè)逆變器中產(chǎn)生的熱量盡可能快速傳輸且散發(fā)到周圍環(huán)境中去，有效控制溫度以滿足系統(tǒng)可靠性的要求。熱控制方案的選擇對(duì)其可靠性和成本都有深遠(yuǎn)的影響，優(yōu)良的熱控制技術(shù)可以保證電源模塊維持良好的工作性能和延長(zhǎng)使用壽命?？梢娡ㄟ^對(duì)損耗的分析計(jì)算得到數(shù)據(jù)參數(shù)，建立電路各模塊溫度模型。通過對(duì)熱分析軟件的運(yùn)用，合理布置散熱器件，設(shè)計(jì)散熱通道，選擇散熱方式，從而確定優(yōu)化方案，可以達(dá)到降低成本和提高性能的目的，意義巨大。2、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及電力電子設(shè)備的廣泛普及，場(chǎng)效應(yīng)逆變器在通信、軍事、航天、衛(wèi)星、運(yùn)輸、航海方面獲得了越來越多的應(yīng)用，場(chǎng)效應(yīng)逆變器中用MOS管作功率轉(zhuǎn)換元件幾乎不需要信號(hào)源提供電流和功率，可大大簡(jiǎn)化電路，特別適合高頻工作。有著更高的能量轉(zhuǎn)換效率，擁有更低的發(fā)熱特性，更長(zhǎng)的平均無故障時(shí)間以及更高的可靠性以及更小的體積。從八十年代末開始電氣工程設(shè)計(jì)師們就已經(jīng)開始嘗試場(chǎng)效應(yīng)逆變器的研究，大量積聚的熱量又成了設(shè)計(jì)師們新的難題。當(dāng)時(shí)因?yàn)槭苈浜蟮纳a(chǎn)工藝以及理論研究水平的限制，開關(guān)元件還無法達(dá)到很高的開關(guān)速度，強(qiáng)行提高元件的開關(guān)頻率必然將會(huì)引起開關(guān)損耗的急劇增加，影像設(shè)備的正常運(yùn)行。為解決這一矛盾，各種軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，工程師們期望通過對(duì)MOSFET開關(guān)性能的提升達(dá)到減少M(fèi)OSFET開關(guān)損耗的目的。經(jīng)過多年的研究比較后，有兩種軟開關(guān)技術(shù)通過了工程實(shí)踐的檢驗(yàn)，獲得了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可其中一項(xiàng)是由VICOR公司開發(fā)出的的有源箝位ZVS軟開關(guān)技術(shù)；另一項(xiàng)是在九十年代初誕生的全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)。另一方面，隨著半導(dǎo)體技術(shù)在生產(chǎn)材料以及生產(chǎn)工藝上的迅猛發(fā)展，以前制約著MOSFET性能提升的諸多難題被一一攻克，功率MOSFET的性能獲得了飛躍性的提升。使得當(dāng)今的MOSFET的導(dǎo)通電阻、開關(guān)時(shí)間、以及柵極電容等參數(shù)獲得了大幅的減小。如今隨著微處理器在控制電路中的應(yīng)用，僅需通過對(duì)邏輯電平的切換即可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率MOSFET進(jìn)行導(dǎo)通控制，使場(chǎng)效應(yīng)逆變器較上一代晶體管逆變器有著質(zhì)的飛躍。目前，微處理器已經(jīng)廣泛的參與輸出電壓調(diào)節(jié)、頻率設(shè)置、脈寬調(diào)制、占空比大小的控制、降頻升頻控制等工作，而且微處理器的生產(chǎn)成本隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步不斷降低，這使得其應(yīng)用范圍變得越來越廣泛同時(shí)國(guó)內(nèi)外也展開了電子元器件的熱分析研究，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和航空航天技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，電子設(shè)備及儀器熱控制技術(shù)受到普遍重視，美國(guó)在七十年代就頒布了可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)，作為航空電子設(shè)備的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行以色列空軍在美國(guó)機(jī)載電子熱分析和熱測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)和應(yīng)用，并把熱設(shè)計(jì)和熱測(cè)試作為機(jī)載電子設(shè)備產(chǎn)品研發(fā)和交付過程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)；日本電氣公司在九十年代中期研制的巨型計(jì)算機(jī)中就己經(jīng)成功地運(yùn)用了液冷技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境溫度控制。目前，國(guó)外在電子設(shè)備熱分析方面的技術(shù)已趨成熟，能夠解決穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)不同情況下的元器件級(jí)、板級(jí)和設(shè)備級(jí)的熱分析。熱設(shè)計(jì)的研究工作也在進(jìn)行，一些專業(yè)熱設(shè)計(jì)軟件得到了廣泛應(yīng)用，電路板的優(yōu)化布局技術(shù)也趨向成熟，一些新的測(cè)量元件和測(cè)量方法正大量涌現(xiàn)，如鉑薄膜熱電阻的步進(jìn)插阻溫度計(jì)和輻射測(cè)溫技術(shù)等。同國(guó)外相比，我國(guó)的模塊化電子設(shè)備熱分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作起步較晚，理論基礎(chǔ)薄弱。國(guó)內(nèi)整個(gè)民用電子工業(yè)正處于發(fā)展階段，電子設(shè)備的熱分析、熱設(shè)計(jì)、熱測(cè)試技術(shù)的研究較少，水平較低，尚處于起步階段。在國(guó)內(nèi)民用電子行業(yè)中，電子設(shè)備研制單位存在著僅憑經(jīng)驗(yàn)作一些初步的熱設(shè)計(jì)和采取一定控制措施的誤區(qū)，沒有進(jìn)行科學(xué)合理的熱分析、熱設(shè)計(jì)與熱試驗(yàn)工作，電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)、熱控制措施缺乏科學(xué)性和合理性，因而其可靠性與國(guó)外同類產(chǎn)品相比有較大差距。3研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線31研究?jī)?nèi)容本畢業(yè)設(shè)計(jì)論文以6KWMOS管逆變器為研究對(duì)象，對(duì)逆變器器各部分進(jìn)行損耗計(jì)算，通過熱分析軟件建立溫度模型，通過對(duì)溫度模型的分析，布置元件擺放位置及設(shè)計(jì)散熱方案實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出最佳散熱結(jié)構(gòu)。研究?jī)?nèi)容可分為以下幾點(diǎn)（1）用SOLIDWORKS建立各元件圖形模型。運(yùn)用SOLIDWORKS軟件建立個(gè)元件的三維仿真圖，并完成整機(jī)設(shè)計(jì)。（2）逆變器損耗分析及計(jì)算逆變器的損耗主要包括開關(guān)元件的損耗、磁性元件的損耗、電容類元件的損耗等。通過損耗分析，為下一步的研究提供理論支持。（3）熱分析及模型建立通過熱分析軟件，根據(jù)環(huán)境、發(fā)熱量、物體形狀及散熱方式建立溫度模型，從而可以在產(chǎn)品裝箱調(diào)試前完成對(duì)逆變器整體發(fā)熱情況的了解。（4）結(jié)構(gòu)優(yōu)化根據(jù)仿真軟件的溫度模型，合理調(diào)節(jié)逆變器中各模塊在機(jī)箱中的位置，選擇正確的散熱方式，對(duì)散熱片的尺寸及形狀重新設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)快速散熱，并建立流道機(jī)箱模型，分析氣流流動(dòng)狀況，并在不影響功能的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。32技術(shù)路線（1）劃分MOS管逆變器各模塊，確定熱源（2）查詢模塊中各個(gè)元件的型號(hào)和材料特性（3）計(jì)算各發(fā)熱模塊的損耗（4）在熱分析軟件中加載必要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（5）建立溫度模型（6）合理設(shè)計(jì)布局及散熱通道，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)資料查詢逆變器設(shè)計(jì)損耗分析與計(jì)算熱分析與建模散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)MOS管逆變器熱分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化3、進(jìn)度安排第1周，選題；第2周，下載任務(wù)書，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，明確研究目標(biāo)，了解研究所需數(shù)據(jù)資料的收集方式與分析工具的使用；第3周，確定研究?jī)?nèi)容，開始外文資料的翻譯，完成開題報(bào)告；第4周，開題報(bào)告審查；第56周，中期檢查，進(jìn)行研究?jī)?nèi)容的數(shù)據(jù)收集、理論分析與設(shè)計(jì)；第79周完成論文相關(guān)研究工作；第10周，完成畢業(yè)論文的初稿；第1112周，修改畢業(yè)論文，上傳畢業(yè)論文；第1314周，修改論文，提出答辯申請(qǐng)，準(zhǔn)備論文答辯；第15周，畢業(yè)論文答辯；第16周，整理畢業(yè)論文上交。4、參考文獻(xiàn)5劉兵ICEPAK軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用電腦知識(shí)與技術(shù)201305115111656閻兆軍電子機(jī)箱熱分析建模與仿真技術(shù)研究西安西安電子科技大學(xué)2010017陳捷愷6KWDC/DC變換器熱分析及散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化武漢武漢理工大學(xué)2014058朱敏波趙淳殳王世萍電子設(shè)備機(jī)箱熱分析軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助工程19970260649蘇世明，李偉電子設(shè)備機(jī)箱散熱仿真分析光電技術(shù)應(yīng)用201303646710王萌高密度密閉電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化西安西安電子科技大學(xué)20070111周敏，吳淑泉電子設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算機(jī)工程20030917117212劉玉綿基于ICEPAK軟件的電子設(shè)備機(jī)箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)信息科技201220520613周峮密閉式電子設(shè)備熱分析方法仿真研究計(jì)算機(jī)仿真20121141641914余運(yùn)江單相光伏并網(wǎng)逆變器的研究杭州浙江大學(xué)20085、指導(dǎo)教師意見指導(dǎo)教師簽名年月日目錄摘要1ABSTRACT21緒論311研究的目的及意義312國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀413設(shè)計(jì)思路514電子設(shè)備熱分析技術(shù)發(fā)展概況與發(fā)展趨勢(shì)6141電子設(shè)備熱分析技術(shù)發(fā)展概況62逆變器器機(jī)箱熱分析研究721熱分析的基本原理7211熱分析軟件ICEPAK簡(jiǎn)介8212流體力學(xué)基礎(chǔ)NS方程8222數(shù)值法求解溫度場(chǎng)比較922逆變器熱分析1023機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10231熱設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算10232散熱方案選擇1224本章小結(jié)1336KWMOS管逆變器機(jī)箱熱仿真分析1531熱仿真試驗(yàn)1532設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)散熱結(jié)果影響20321散熱方式對(duì)散熱結(jié)果的影響20322散熱片參數(shù)對(duì)散熱結(jié)果的影響21323風(fēng)道結(jié)構(gòu)對(duì)散熱結(jié)果的影響23324熱源布置對(duì)散熱結(jié)構(gòu)的影響2433功率管逆變器優(yōu)化方案確定2534本章小結(jié)294電源機(jī)箱三維設(shè)計(jì)3041電源機(jī)箱設(shè)計(jì)理念30411實(shí)施方案及擬采取的研究方法和技術(shù)路線31412可行性分析3242光伏電源設(shè)計(jì)思路3242148V逆變器主要板塊設(shè)計(jì)3343本章小結(jié)37總結(jié)及展望386參考文獻(xiàn)39致謝40摘要國(guó)際上，全球著名公司XANTREX的SUNTIEXR系列并網(wǎng)控制器帶來了光伏市場(chǎng)格局的重大變化，其根據(jù)光伏市場(chǎng)需要推出的產(chǎn)品系列覆蓋了中、大功率范圍，也可將多臺(tái)中功率的控制器并聯(lián)構(gòu)成系統(tǒng)，而且控制器中也集成了最大功率跟中環(huán)節(jié)。同時(shí)，這帶動(dòng)了我國(guó)光伏發(fā)電方面的發(fā)展，我國(guó)政府出臺(tái)了一些列的政策，如金太陽示范工程財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法以及關(guān)于做好分布式電源并網(wǎng)服務(wù)工作的意見等，為光伏發(fā)電的發(fā)展提供了有力支撐。本論文以家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為核心，根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，可直接作為電源驅(qū)動(dòng)負(fù)荷，亦可切換到外部三相電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)小型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行。繪制出電源機(jī)箱的三維模型并對(duì)其進(jìn)行熱穩(wěn)定分析。關(guān)鍵詞電源機(jī)箱SOLIDWORKS溫度分析ICEPAKABSTRACTINTERNATIONALLY,THEWORLDFAMOUSCOMPANYXANTREXSUNTIEXRSERIESGRIDCONTROLLERBROUGHTAMAJORCHANGEINTHEPHOTOVOLTAICMARKETPATTERN,ITSACCORDINGTOTHEREQUIREMENTSOFTHEPHOTOVOLTAICMARKETLAUNCHOFTHEPRODUCTLINECOVERSARANGEOFMEDIUMANDHIGHPOWER,ALSOCANBEMORETAIZHONGPOWERCONTROLLERINPARALLELSTRUCTUREOFSYSTEM,ANDTHECONTROLLERISINTEGRATEDWITHTHEMAXIMUMPOWERATTHESAMETIME,ITLEDTOTHEDEVELOPMENTOFPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONINCHINA,OURGOVERNMENTHASISSUEDASERIESOFPOLICIES,SUCHAS“GOLDSUNDEMONSTRATIONPROJECTFINANCIALAIDFUNDSMANAGEMENTINTERIMMEASURES“AND“ABOUTTHEOPINIONSOFTHEDISTRIBUTEDPOWERGRIDSERVICEWORK,ETC,PROVIDEDSTRONGSUPPORTFORTHEDEVELOPMENTOFPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONINTHISPAPERTHEDESIGNOFHOUSEHOLDSOLARPOWERGENERATIONSYSTEMASTHECORE,ACCORDINGTOTHEPRINCIPLEOFLIGHTBORNVEFFECT,USINGSOLARCELLSCONVERTSOLARENERGYDIRECTLYTOELECTRICALENERGY,CANBEDIRECTLYASALOADPOWERSUPPLY,CANALSOSWITCHTOTHEEXTERNALTHREEPHASEPOWERGRID,THEOPERATIONOFSMALLPHOTOVOLTAICPVGRIDSYSTEMDRAW3DMODELOFTHEPOWERSUPPLYCHASSISANDITSTHERMALSTABILITYANALYSISKEYWORDSPOWERSUPPLYCHASSISSOLIDWORKSICEPAKTEMPERATUREANALYSIS1緒論11研究的目的及意義據(jù)統(tǒng)計(jì)，55以上電子設(shè)備損壞失效都是因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良所致。其失效率隨著溫度的升高呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，甚至有的器件環(huán)境溫度每升高10，失效率增大1倍以上。尤其是場(chǎng)效應(yīng)逆變器中的功率器件，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，若不及時(shí)排除，將引起電子電路板的熱流密度過高，影響電路的可靠性和壽命。電源電路內(nèi)部的溫升超過極限值時(shí)，將導(dǎo)致元器件失效。所以，對(duì)逆變器機(jī)箱進(jìn)行熱設(shè)計(jì)和熱分析，在產(chǎn)品的整個(gè)過程中有著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，或應(yīng)用有限的換熱公式進(jìn)行預(yù)先估計(jì)，生產(chǎn)出成品后，再通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。產(chǎn)品若不能滿足要求，就要經(jīng)歷修改、再設(shè)計(jì)、再生產(chǎn)、再檢驗(yàn)。顯然，這種傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法已不能滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行有效的熱仿真是非常必要的。熱分析軟件能夠比較真實(shí)地模擬系統(tǒng)的熱分布狀況，能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行熱仿真，確定模型中的溫度最高點(diǎn)。通過對(duì)模型進(jìn)行修改或采取必要的散熱措施，消除其熱問題，使其最高溫度在允許的溫度范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)師必須對(duì)熱設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的分析和研究，才能更好地解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的問題。熱設(shè)計(jì)的目的就是要改進(jìn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料的選擇，尋求最佳的導(dǎo)熱材料與散熱結(jié)構(gòu)，使整個(gè)逆變器中產(chǎn)生的熱量盡可能快速傳輸且散發(fā)到周圍環(huán)境中去，有效控制溫度以滿足系統(tǒng)可靠性的要求。熱控制方案的選擇對(duì)其可靠性和成本都有深遠(yuǎn)的影響，優(yōu)良的熱控制技術(shù)可以保證電源模塊維持良好的工作性能和延長(zhǎng)使用壽命?？梢娡ㄟ^對(duì)損耗的分析計(jì)算得到數(shù)據(jù)參數(shù)，建立電路各模塊溫度模型。通過對(duì)熱分析軟件的運(yùn)用，合理布置散熱器件，設(shè)計(jì)散熱通道，選擇散熱方式，從而確定優(yōu)化方案，可以達(dá)到降低成本和提高性能的目的，意義巨大。12國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及電力電子設(shè)備的廣泛普及，場(chǎng)效應(yīng)逆變器在通信、軍事、航天、衛(wèi)星、運(yùn)輸、航海方面獲得了越來越多的應(yīng)用，場(chǎng)效應(yīng)逆變器中用MOS管作功率轉(zhuǎn)換元件幾乎不需要信號(hào)源提供電流和功率，可大大簡(jiǎn)化電路，特別適合高頻工作。有著更高的能量轉(zhuǎn)換效率，擁有更低的發(fā)熱特性，更長(zhǎng)的平均無故障時(shí)間以及更高的可靠性以及更小的體積。從八十年代末開始電氣工程設(shè)計(jì)師們就已經(jīng)開始嘗試場(chǎng)效應(yīng)逆變器的研究，大量積聚的熱量又成了設(shè)計(jì)師們新的難題。當(dāng)時(shí)因?yàn)槭苈浜蟮纳a(chǎn)工藝以及理論研究水平的限制，開關(guān)元件還無法達(dá)到很高的開關(guān)速度，強(qiáng)行提高元件的開關(guān)頻率必然將會(huì)引起開關(guān)損耗的急劇增加，影像設(shè)備的正常運(yùn)行。為解決這一矛盾，各種軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，工程師們期望通過對(duì)MOSFET開關(guān)性能的提升達(dá)到減少M(fèi)OSFET開關(guān)損耗的目的。經(jīng)過多年的研究比較后，有兩種軟開關(guān)技術(shù)通過了工程實(shí)踐的檢驗(yàn)，獲得了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可其中一項(xiàng)是由VICOR公司開發(fā)出的的有源箝位ZVS軟開關(guān)技術(shù)；另一項(xiàng)是在九十年代初誕生的全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)。另一方面，隨著半導(dǎo)體技術(shù)在生產(chǎn)材料以及生產(chǎn)工藝上的迅猛發(fā)展，以前制約著MOSFET性能提升的諸多難題被一一攻克，功率MOSFET的性能獲得了飛躍性的提升。使得當(dāng)今的MOSFET的導(dǎo)通電阻、開關(guān)時(shí)間、以及柵極電容等參數(shù)獲得了大幅的減小。如今隨著微處理器在控制電路中的應(yīng)用，僅需通過對(duì)邏輯電平的切換即可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率MOSFET進(jìn)行導(dǎo)通控制，使場(chǎng)效應(yīng)逆變器較上一代晶體管逆變器有著質(zhì)的飛躍。目前，微處理器已經(jīng)廣泛的參與輸出電壓調(diào)節(jié)、頻率設(shè)置、脈寬調(diào)制、占空比大小的控制、降頻升頻控制等工作，而且微處理器的生產(chǎn)成本隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步不斷降低，這使得其應(yīng)用范圍變得越來越廣泛，同時(shí)國(guó)內(nèi)外也展開了電子元器件的熱分析研究，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和航空航天技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，電子設(shè)備及儀器熱控制技術(shù)受到普遍重視，美國(guó)在七十年代就頒布了可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)，作為航空電子設(shè)備的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行以色列空軍在美國(guó)機(jī)載電子熱分析和熱測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)和應(yīng)用，并把熱設(shè)計(jì)和熱測(cè)試作為機(jī)載電子設(shè)備產(chǎn)品研發(fā)和交付過程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)；日本電氣公司在九十年代中期研制的巨型計(jì)算機(jī)中就己經(jīng)成功地運(yùn)用了液冷技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境溫度控制。目前，國(guó)外在電子設(shè)備熱分析方面的技術(shù)已趨成熟，能夠解決穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)不同情況下的元器件級(jí)、板級(jí)和設(shè)備級(jí)的熱分析。熱設(shè)計(jì)的研究工作也在進(jìn)行，一些專業(yè)熱設(shè)計(jì)軟件得到了廣泛應(yīng)用，電路板的優(yōu)化布局技術(shù)也趨向成熟，一些新的測(cè)量元件和測(cè)量方法正大量涌現(xiàn)，如鉑薄膜熱電阻的步進(jìn)插阻溫度計(jì)和輻射測(cè)溫技術(shù)等。同國(guó)外相比，我國(guó)的模塊化電子設(shè)備熱分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作起步較晚，理論基礎(chǔ)薄弱。國(guó)內(nèi)整個(gè)民用電子工業(yè)正處于發(fā)展階段，電子設(shè)備的熱分析、熱設(shè)計(jì)、熱測(cè)試技術(shù)的研究較少，水平較低，尚處于起步階段。在國(guó)內(nèi)民用電子行業(yè)中，電子設(shè)備研制單位存在著僅憑經(jīng)驗(yàn)作一些初步的熱設(shè)計(jì)和采取一定控制措施的誤區(qū)，沒有進(jìn)行科學(xué)合理的熱分析、熱設(shè)計(jì)與熱試驗(yàn)工作，電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)、熱控制措施缺乏科學(xué)性和合理性，因而其可靠性與國(guó)外同類產(chǎn)品相比有較大差距。13設(shè)計(jì)思路本畢業(yè)設(shè)計(jì)論文以6KWMOS管逆變器為研究對(duì)象，對(duì)逆變器器各部分進(jìn)行損耗計(jì)算，通過熱分析軟件建立溫度模型，通過對(duì)溫度模型的分析，布置元件擺放位置及設(shè)計(jì)散熱方案實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出最佳散熱結(jié)構(gòu)。研究?jī)?nèi)容可分為以下幾點(diǎn)（1）用SOLIDWORKS建立各元件圖形模型。運(yùn)用SOLIDWORKS軟件建立個(gè)元件的三維仿真圖，并完成整機(jī)設(shè)計(jì)。（2）逆變器損耗分析及計(jì)算逆變器的損耗主要包括開關(guān)元件的損耗、磁性元件的損耗、電容類元件的損耗等。通過損耗分析，為下一步的研究提供理論支持。（3）熱分析及模型建立通過熱分析軟件，根據(jù)環(huán)境、發(fā)熱量、物體形狀及散熱方式建立溫度模型，從而可以在產(chǎn)品裝箱調(diào)試前完成對(duì)逆變器整體發(fā)熱情況的了解。（4）結(jié)構(gòu)優(yōu)化根據(jù)仿真軟件的溫度模型，合理調(diào)節(jié)逆變器中各模塊在機(jī)箱中的位置，選擇正確的散熱方式，對(duì)散熱片的尺寸及形狀重新設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)快速散熱，并建立流道機(jī)箱模型，分析氣流流動(dòng)狀況，并在不影響功能的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。14電子設(shè)備熱分析技術(shù)發(fā)展概況與發(fā)展趨勢(shì)141電子設(shè)備熱分析技術(shù)發(fā)展概況電子設(shè)備的熱分析，又稱為熱模擬，是利用數(shù)學(xué)的手段在電子產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段獲得溫度分布的方法，它可以使電子設(shè)備設(shè)計(jì)人員和可靠性設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段就能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的熱缺陷，從而改善其設(shè)計(jì)。熱分析方法主要有兩類分析方法和數(shù)值方法。分析方法的難點(diǎn)在于對(duì)高階偏微分方程缺乏有效的求解方法，只能求解一些簡(jiǎn)單的問題；數(shù)值方法主要有有限差分法、有限容積法、有限元法和有限分析法。近年來，國(guó)外的熱分析技術(shù)的研究比較活躍，取得了很多有參考價(jià)值的成果JOSHUACILIU等人首次采用邊界元法BEM計(jì)算電子封裝系統(tǒng)的溫度分布；美國(guó)ROME空軍發(fā)展中心開發(fā)了計(jì)算電路板元件結(jié)點(diǎn)溫度的個(gè)人計(jì)算機(jī)PC熱分析器；JOHNNIFUNK等人提出了半解析法來預(yù)測(cè)印制板穩(wěn)態(tài)溫度；WILLIAMMIGODFREY等人采用解耦、疊代數(shù)值技術(shù)確定PCB板的溫度分布；DAZGUANGLIU等人采用漸進(jìn)波形估計(jì)概念的新技術(shù)求解溫度分布；TIENZYUTOMLEE等人采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD工具預(yù)測(cè)便攜式電子產(chǎn)品的溫度。這些成果主要解決熱分析的快速性,升級(jí)熱分析軟件,并利用熱分析軟件來協(xié)助熱設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的可靠性和有效縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)平移。隨著熱分析理論的逐步成熟，國(guó)外從六十年代就開始就先后開發(fā)了ANSYS、FLUENT、ICEPAK等一系列實(shí)際應(yīng)用中的熱分析軟件。而國(guó)內(nèi)由于電子工業(yè)的發(fā)展落后于國(guó)外，在電子設(shè)備熱分析、熱仿真方面的研究相對(duì)滯后，工程師大多是憑著某些經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行熱分析。但近年來國(guó)內(nèi)相關(guān)部門也逐漸認(rèn)識(shí)到了該研究對(duì)航空航天及軍事方面的重要性及迫切性,有部分研究部門購(gòu)買了國(guó)外電子設(shè)備熱分析軟件，或開發(fā)出小型軟件對(duì)特定的模塊進(jìn)行熱分析。2逆變器器機(jī)箱熱分析研究21熱分析的基本原理熱分析研究的基本理論基礎(chǔ)是傳熱學(xué)以及流體力學(xué)，其中傳熱學(xué)研究的是熱量傳遞的基本形式、傳熱機(jī)理、傳熱過程的計(jì)算方法；流體力學(xué)主要研究流體（空氣、流水等）的流動(dòng)特性以及流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力計(jì)算。熱量的傳遞過程是自然界中普遍存在的一種能量轉(zhuǎn)移過程，熱能的傳遞與其他能量如電能、動(dòng)能、磁能等的轉(zhuǎn)移過程相類似，都有共同的規(guī)律過程的阻力過程的動(dòng)力過程中能量的轉(zhuǎn)移在熱傳遞的過程中，熱能轉(zhuǎn)移是所遇到的阻力被稱為熱阻，大小等于兩點(diǎn)間的溫差除以兩點(diǎn)間熱能的差值（41）QTRJ21由式（41）可以看出熱阻越小則在同樣的溫差條件下，物體轉(zhuǎn)移的熱能也就越多，則說明此材料的散熱性越好。在熱量傳遞的過程中有三種最基本的傳熱方式熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。（1）熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)是由不同溫度的物體間或者同一物體內(nèi)部不同溫度部分進(jìn)行熱能交換的想象。在氣體中，熱傳導(dǎo)主要通過氣體分子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)是相互間的碰撞實(shí)現(xiàn)；在液體中，熱傳遞能主要依靠分子晶體振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的彈性波實(shí)現(xiàn)；在固體中主要依靠自由電子來進(jìn)行能量的交換。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)熱傳遞過程中接觸面的平滑程度、接觸面積以及對(duì)接觸面所施加的壓力大小對(duì)熱傳遞效果均有不同影響。（2）熱對(duì)流熱對(duì)流是指流體與固體直接接觸時(shí)相互間的換熱過程，按照引起流體運(yùn)動(dòng)的原因可分為兩種（A）有外力造成的，引流體內(nèi)部壓力不同產(chǎn)生的流動(dòng)稱為強(qiáng)迫對(duì)流；（B）由冷熱兩種流體密度差造成的流體運(yùn)動(dòng)稱為自然對(duì)流。（3）熱輻射溫度處于絕對(duì)零度以上的物體內(nèi)部都存在不斷運(yùn)動(dòng)的電子，由于電子的振動(dòng)或受到外部條件的激勵(lì)，均會(huì)通過電磁波的方式向外部環(huán)境輻射能量，這種熱傳遞方式被稱為熱輻射。物體以熱輻射形式發(fā)射的電磁波一般被稱為熱射線，其擁有很寬的波長(zhǎng)范圍（01M100M）。211熱分析軟件ICEPAK簡(jiǎn)介ICEPAK軟件由全球最優(yōu)秀的計(jì)算流體力學(xué)軟件提供商美國(guó)FLUENT公司研制開發(fā)，廣泛的應(yīng)用于通訊、汽車、航空電子設(shè)備、電源設(shè)備、通用電氣以及家電等設(shè)計(jì)領(lǐng)域，它是一款強(qiáng)大的CAE（COMPUTERAIDEDENGINEERING）仿真軟件，同時(shí)也是一種面向電子設(shè)備設(shè)計(jì)工程師們開發(fā)的專業(yè)電子設(shè)備熱分析軟件。借助ICEPAK軟件，設(shè)計(jì)師們可以完成包括環(huán)境級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、PCB電路板級(jí)、元件級(jí)的電氣設(shè)備的熱分析以及熱設(shè)計(jì)，借助ICEPAK分析得到的優(yōu)化結(jié)果可以大大減少設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品的一次成功率，改善電子設(shè)備的性能，縮短了電子產(chǎn)品的上市時(shí)間ICEPAK軟件主要由以下特點(diǎn)（1）快速的幾何建模ICEPAK軟件包含了箱體結(jié)構(gòu)、發(fā)熱模塊、散熱器、管道、風(fēng)扇等多種電氣設(shè)計(jì)所用到的基本模塊方便工程設(shè)們能夠快速建立設(shè)備封裝模型，而不用從點(diǎn)、線、面開始構(gòu)圖。ICEPAK還允許使用者通過ZOOMIN功能將上一級(jí)模型的計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于下一級(jí)模型中，實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)到PCB板的層層細(xì)化研究，提高了工程師們的設(shè)計(jì)效率。（2）豐富的物理力模型ICEPAK軟件可以模擬出強(qiáng)迫對(duì)流、自然對(duì)流以及混合對(duì)流模型；熱傳導(dǎo)以及熱輻射模型；層流、湍流以及擁有多種不同介質(zhì)的流體模型等（3）參數(shù)化設(shè)計(jì)在ICEPAK軟件內(nèi)，沒有什么是不可以用參數(shù)來表示的，通過多變量參數(shù)的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工況、不同狀態(tài)、不同結(jié)構(gòu)的計(jì)算，使設(shè)計(jì)過程更加高效與便捷（4）網(wǎng)格技術(shù)ICEPAK軟件能夠自動(dòng)的生成非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，生成高質(zhì)量的計(jì)算網(wǎng)格。（5）解算功能ICEPAK軟件所采用的是全球最強(qiáng)大的CFD求解器FLUENT，應(yīng)用有限體積法能夠用于任何系統(tǒng)下的結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格計(jì)算。（6）優(yōu)化設(shè)計(jì)ICEPAK通過對(duì)變量的自動(dòng)優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的熱設(shè)計(jì)方案，通過魯棒性算法使得的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程更加直觀，擁有更快的計(jì)算速度以及更高的設(shè)計(jì)精度。（7）可視化處理ICEPAK軟件可以將計(jì)算后的結(jié)果通過速度矢量圖、等值面圖、分布云圖以及AVI、MPEG、GIF格式的動(dòng)畫呈現(xiàn)出來，使得分析結(jié)果更加的直觀。212流體力學(xué)基礎(chǔ)NS方程流體流動(dòng)是受物理守恒定律支配的，流體力學(xué)的基本方程是計(jì)算流體力學(xué)的基礎(chǔ)，在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)范疇下，流體力學(xué)的基本方程為納維斯托克斯方程N(yùn)AVIERSTOKES方程，簡(jiǎn)稱NS方程，包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程。222數(shù)值法求解溫度場(chǎng)比較20世紀(jì)中葉開始的計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)值計(jì)算方法的應(yīng)用提供了極大的發(fā)展空間。數(shù)值法是以離散數(shù)學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具的一種求解方法。根據(jù)求解方法的不同，數(shù)值方法主要分為有限單元法FEM，有限差分法FDM和有限體積法FVM三種。三種方法的求解思路類似，但是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不同。數(shù)值法基本思路為A采用網(wǎng)格劃分技術(shù)，將求解區(qū)域離散為各個(gè)微元體；B根據(jù)守恒定律，針對(duì)每個(gè)微元體建立微積分控制方程；C將微積分方程在時(shí)間僅針對(duì)瞬態(tài)分析和空間上進(jìn)行離散；D求解方程，得到溫度場(chǎng)分布。下面對(duì)本文采用的數(shù)值求解方法進(jìn)行研究。有限體積法FVM有限體積法，又稱為控制體積法CONTROLVOLUMEMETHOD，簡(jiǎn)記為CVM，可以看成是積分形式的有限差分法。有限差分法直接對(duì)偏微分方程進(jìn)行離散，而有限體積法直接對(duì)積分型方程進(jìn)行離散。有限體積法的基本思想是將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)控制體積；將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分，便得出一組離散方程，求解所建立起來的代數(shù)方程組以獲取所求解變量的近似值。它的特點(diǎn)是積分守恒。有限體積法有以下特點(diǎn)（1）有限體積法的出發(fā)點(diǎn)是以積分的形式表示控制方程，通過特征變量表現(xiàn)控制容積內(nèi)的守恒特性。（2）積分方程中每一項(xiàng)都有明確的物理定義，當(dāng)方程離散時(shí)各離散項(xiàng)都能得到恰當(dāng)?shù)奈锢斫忉?。?）區(qū)域離散的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)欲進(jìn)行積分的控制容積分立，各節(jié)點(diǎn)的控制容積互不重疊，從而能保證整個(gè)求解域中變量的守恒。因此在求解流動(dòng)與熱傳導(dǎo)領(lǐng)域，有限體積法受到了廣泛的認(rèn)可，目前已經(jīng)被絕大多數(shù)工程流體和熱分析計(jì)算軟件所采用。22逆變器熱分析6KWMOS管逆變器經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件安裝、測(cè)試后進(jìn)行熱分析研究，以下為其結(jié)構(gòu)參數(shù)及各模塊功耗參數(shù)（1）機(jī)箱尺寸6KWMOS管逆變器機(jī)箱的長(zhǎng)度為30CM，寬度為25CM，高度為45CM。（2）電路各模塊功耗在6KWMOS管逆變器中，主要考慮14個(gè)MOS管的發(fā)熱情況。且14個(gè)MOS管的平均損耗為25W按照設(shè)計(jì)電源溫度要求根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，當(dāng)環(huán)境溫度為30時(shí)，逆變器機(jī)箱平均溫度不得高于60。（3）電氣元件溫度要求由產(chǎn)品說明書中可以查得MOS的最高工作溫度不得超過175。如不采取必要的散熱措施必將導(dǎo)致MOS管溫度過高，當(dāng)超過175時(shí)就會(huì)發(fā)生P/N結(jié)擊穿,就會(huì)出現(xiàn)MOS管燒毀事故，引起DC/DC電源發(fā)生故障。控制電路中的數(shù)字信號(hào)處理芯片的工作溫度不得超過85。即電源正常工作時(shí)，主控制板所處的環(huán)境溫度如果過高，將引起電路板中個(gè)集成電路芯片的正常運(yùn)行。23機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)231熱設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算（1）有效散熱面積本次設(shè)計(jì)的6KWMOS管逆變器機(jī)箱長(zhǎng)度為025M，機(jī)箱的寬度為025M，機(jī)箱的高度為015M。根據(jù)德國(guó)VDE0660/500標(biāo)準(zhǔn)，可計(jì)算得到機(jī)箱有效散熱面積（23）2E85704181MBTHA（2）機(jī)箱自然對(duì)流散熱計(jì)算由于流體內(nèi)部溫度差的存在，導(dǎo)致流體內(nèi)部不同的溫度其密度也各不相同，在沒有外部力量影響下，溫度高的流體因?yàn)槠涿芏刃。蜁?huì)上升；而溫度低的那部分流體由于其密度相對(duì)大些，就會(huì)下降，因?yàn)槊芏鹊牟煌鸬牧黧w內(nèi)部流動(dòng)的現(xiàn)象稱為自然對(duì)流現(xiàn)象，由自然對(duì)流產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)象被稱為自然對(duì)流傳熱現(xiàn)象。自然對(duì)流傳熱量可通過式（24）計(jì)算（24）TAHQEC1其中為對(duì)流散熱量（W）；為換熱系數(shù)（）；為有效散熱1Q/2MWEA面積（）；為換熱表面與流體溫差（）。2MT本次設(shè)；自然空氣換熱系數(shù)5；。由0CH/228570ME式44計(jì)算可得自然對(duì)流傳熱量。WQ431（4）機(jī)箱本身自然輻射散熱計(jì)算熱輻射使物體通過電磁輻射的形式將熱能向外散發(fā)，這是一種非接觸式的傳熱散熱方式，在真空中也能進(jìn)行散熱。任何物體在發(fā)出輻射的同時(shí)也可以不斷地吸收周圍物體的輻射能，物體的輻射能力級(jí)單位時(shí)間內(nèi)由物體表面向外輻射的能量隨溫度的升高而大幅增加。通過式（45）可計(jì)算輻射散熱量（25）4212TAQ其中為輻射散熱量（W）；為材料輻射率（W/），也稱為黑度；2Q2M為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)；T1及T2分別為材料表面溫428/0675K度及環(huán)境溫度。設(shè)材料表面的絕對(duì)溫度為328K，環(huán)境溫度為318K，機(jī)箱材料為鐵質(zhì)噴黑漆，材料輻射率，由式（25）計(jì)算得輻射散熱量。42/80KMWQ6952（5）通過式（26）可以計(jì)算出自然散熱情況下，時(shí)，機(jī)箱所需的開10T孔面積（26）42/51031THQS其中Q為機(jī)箱內(nèi)部熱源總和Q14X25350W，機(jī)箱高度H045M，則為使機(jī)箱溫度下降10需開孔面積為234，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了機(jī)箱的表面積，因此M簡(jiǎn)單的采用自然散熱是無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的溫度。再考慮到機(jī)箱內(nèi)部有多個(gè)熱源模塊，其機(jī)箱內(nèi)部的功率分布也是不均勻的，這必然要求采取一定的散熱方式來加快機(jī)箱內(nèi)部熱能向外的傳導(dǎo)速度，提高散熱的效率。232散熱方案選擇計(jì)算表明通過自然散熱的方式是根本無法解決該高功率密度的電力電子設(shè)備的散熱問題的，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度達(dá)到以上，2/08CMW或者體積功率密度達(dá)到以上時(shí)，不管是自然熱對(duì)流還是是熱輻射都3/180CMW是無法滿足設(shè)備的散熱問題了，此時(shí)設(shè)計(jì)師通常采用強(qiáng)迫對(duì)流的方式即加快空氣流通速率以達(dá)到將設(shè)備內(nèi)部熱能快速按轉(zhuǎn)移出去的目的，在有限體積有限而發(fā)熱量巨大的設(shè)備中如電子負(fù)載或熱交換器中，設(shè)計(jì)者們甚至采用液冷的方式強(qiáng)制排出設(shè)備內(nèi)部積聚的熱能。如圖21所示為在不同熱流密度時(shí)設(shè)備所需采用的散熱方式。（1）風(fēng)扇風(fēng)量計(jì)算強(qiáng)迫對(duì)流散熱即是使用外力從而加快空氣的流速，加快機(jī)箱內(nèi)外熱能得交換的速率，通常設(shè)計(jì)師們最常用的即通過風(fēng)扇來進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流。圖21散熱方式選擇強(qiáng)迫對(duì)流所需的風(fēng)量Q可通過式（27）計(jì)算得出（27）/TCP（47）中為空氣比熱，當(dāng)環(huán)境溫度為30時(shí)，；空PCKGJP/051氣密度；出風(fēng)口與環(huán)境溫差；可計(jì)算出DC/DC變換器3/091MKG30T機(jī)箱采用強(qiáng)迫散熱方式時(shí)所需風(fēng)量SMCP/0191533（2）風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)道即是指空氣在機(jī)箱內(nèi)部的流動(dòng)軌跡，沒有好的風(fēng)道設(shè)計(jì)，任憑大排量散熱風(fēng)扇如何旋轉(zhuǎn)，機(jī)箱內(nèi)部也總是會(huì)存在氣流的死角，使熱量大量積聚在機(jī)箱內(nèi)部的特定的位置從而無法有效的排出。同時(shí)不合理的風(fēng)道還會(huì)造成灰塵、粉塵等在機(jī)箱內(nèi)部大量積聚，不光是會(huì)嚴(yán)重影響散熱結(jié)果熱切嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響內(nèi)部電氣元件的正常運(yùn)行。合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)講究在強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)扇的的作用下，形成流暢、無障礙的氣流通道，使冷空氣從機(jī)箱的一側(cè)的散熱開口處進(jìn)入，有另一側(cè)經(jīng)風(fēng)扇排除，在空氣流動(dòng)的過程中熱能的傳遞與交換帶走機(jī)箱內(nèi)部電氣元件正常工作中產(chǎn)生的熱量，從而達(dá)到散熱的目的。常用的散熱風(fēng)道設(shè)計(jì)有吹風(fēng)式散熱風(fēng)道以及抽風(fēng)式散熱風(fēng)道兩種（A）吹風(fēng)式風(fēng)道圖22吹風(fēng)式風(fēng)道吹風(fēng)型散熱如圖22所示，吹風(fēng)式風(fēng)道可以產(chǎn)生很集中的風(fēng)量，在特定的位置還能夠產(chǎn)生很大的風(fēng)壓，特別適用于熱量分布不均勻，尤其是需要對(duì)發(fā)熱量很大的元件或?qū)ｉT區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)散熱的場(chǎng)合。但是吹風(fēng)式風(fēng)道存在系統(tǒng)的風(fēng)速分布不均勻的問題，所以容易易出現(xiàn)氣流死角，如果不進(jìn)行合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)就容易出現(xiàn)局部回流區(qū)或低速區(qū)，反而會(huì)加重某些區(qū)域的發(fā)熱狀況。（B）抽風(fēng)式風(fēng)道圖23抽風(fēng)式風(fēng)道抽風(fēng)式散熱方式如圖23所示，抽風(fēng)式風(fēng)道產(chǎn)生的風(fēng)速分布比較均勻，在機(jī)箱內(nèi)部各個(gè)角落的元器件均能被氣流流過，受到散熱效果，因此在內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣流因受到的大阻力造成氣流流動(dòng)不暢情況的設(shè)備中，抽風(fēng)式風(fēng)道獲得了廣泛的應(yīng)用。但是由于抽風(fēng)式風(fēng)道內(nèi)部氣流比較平緩，在惡劣的工作環(huán)境中無法迅速排除灰塵等雜物，易產(chǎn)生塵埃積聚的現(xiàn)象。散熱風(fēng)道的設(shè)計(jì)過程中需要考慮風(fēng)扇風(fēng)量、風(fēng)壓、氣流流速、系統(tǒng)阻尼特性、應(yīng)用環(huán)境條件、設(shè)計(jì)噪音要求、電磁干擾特性等多種因素來選擇風(fēng)扇型號(hào)以及風(fēng)道形狀，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，通過ICEPAK熱仿真軟件通過不同散熱風(fēng)道的比較，選擇最適合于本次設(shè)計(jì)的風(fēng)道模型。24本章小結(jié)本章介紹了熱分析的理論基礎(chǔ)為傳熱學(xué)，流體力學(xué)以及能量守恒定律以及常用的熱分析計(jì)算方法；介紹了ICEPAK軟件的工作原理，以及其相對(duì)設(shè)計(jì)上常用的幾種熱分析軟件所具有的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)在本章節(jié)中初步的通過理論計(jì)算得出自然冷卻散熱方法是無法應(yīng)用于大功率密度的電力電子變換裝置中的，欲達(dá)到設(shè)計(jì)要求的散熱標(biāo)準(zhǔn)必須采用強(qiáng)制散熱方法對(duì)設(shè)備內(nèi)熱源進(jìn)行散熱。通過對(duì)風(fēng)量大小計(jì)算、吹風(fēng)方式選擇、風(fēng)道形狀計(jì)算以及熱源布置位置等，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器機(jī)箱的散熱設(shè)計(jì)。36KWMOS管逆變器機(jī)箱熱仿真分析31熱仿真試驗(yàn)通過對(duì)機(jī)箱的內(nèi)部主要發(fā)熱元件、散熱元件以及結(jié)構(gòu)的參數(shù)的設(shè)定運(yùn)用ICEPAK軟件根據(jù)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行熱仿真分析從而得到溫度分布云圖。通過在熱仿真過程中對(duì)各種結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)的改變，從而可以確定各種參數(shù)的變化對(duì)機(jī)箱的散熱的效果的影響。通過比較不同散熱方式帶來的效果并且調(diào)節(jié)散熱結(jié)構(gòu)可對(duì)原定機(jī)箱設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱優(yōu)化，并通過ICEPAK熱分析軟件進(jìn)行仿真，證明熱分析在電力電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要性。（1）機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過ICEPAK軟件建立的機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模型如圖31所示圖31機(jī)箱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（A）環(huán)境參數(shù)的設(shè)定（B）表31系統(tǒng)邊界參數(shù)的設(shè)定邊界條件參數(shù)設(shè)定環(huán)境溫度30換熱系數(shù)KMW/52重力方向Y軸方向求解類型對(duì)流與傳導(dǎo)湍流模型湍流模型K（C）機(jī)箱的體積及箱體的材料參數(shù)設(shè)定設(shè)定機(jī)箱體積參數(shù)長(zhǎng)為25CM，寬為30CM，高為15CM；機(jī)箱壁所用的材料為厚度1MM，導(dǎo)熱系數(shù)為75的灰色鐵皮；設(shè)定機(jī)箱的六塊KMW/壁板的參數(shù)。（D）散熱器參數(shù)的設(shè)定設(shè)定所用的散熱器的具體參數(shù)，散熱器的長(zhǎng)為17CM，寬為3CM，高為10CM；散熱器背板厚度為5MM，每個(gè)散熱器有10片散熱翅片，其厚度為1MM，散熱器的材質(zhì)為鋁制，導(dǎo)熱系數(shù)為237W/MK。（E）功率MOSFET的參數(shù)設(shè)定設(shè)計(jì)采用的是IPP110N20NA型的功率MOSFET長(zhǎng)為95MM，寬為91MM，厚度為45MM，在參數(shù)設(shè)定中為方便計(jì)算設(shè)定其長(zhǎng)寬都為10MMMOS管功率為25W。（F）風(fēng)扇參數(shù)的設(shè)定設(shè)計(jì)采用2個(gè)風(fēng)量為002KG/S的風(fēng)扇，其直徑為6CM。（2）生成網(wǎng)格圖32系統(tǒng)網(wǎng)格模型網(wǎng)格劃分是熱仿真工程中的重要步驟，ICEPAK熱分析軟件通過有限體積法進(jìn)行迭代計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格中的溫度或氣體流速?gòu)亩蓽囟确植荚茍D。首先，通過GENERATEMESH選項(xiàng)設(shè)置粗網(wǎng)格參數(shù)，通過網(wǎng)格檢查標(biāo)準(zhǔn)判斷劃分的網(wǎng)格是否符合仿真要求（1）兩實(shí)體面間的網(wǎng)格至少為兩個(gè)；（2）每個(gè)流體對(duì)象最少應(yīng)包括56個(gè)網(wǎng)格單元。通過CUTPLANE中SETPOSITIONPOINTANDNORMAL選項(xiàng)建立平面檢查網(wǎng)格劃定狀況。其次，通過OBJECTPARAMS選項(xiàng)分別細(xì)化機(jī)箱中各模塊周圍網(wǎng)格，從而使最終計(jì)算結(jié)果更為精確。系統(tǒng)網(wǎng)格最終劃分結(jié)果如圖32所示，可以看出網(wǎng)格在散熱片，功率MOSFET管以及風(fēng)扇周圍的劃分更為密集。（3）求解計(jì)算經(jīng)過對(duì)氣流參數(shù)檢查并在BASICPARAMETERS中激活湍流模型，通過RUNSOLUTION選項(xiàng)計(jì)算散熱結(jié)果是否收斂，如圖33所示為計(jì)算后所得的殘差曲線，在復(fù)雜系統(tǒng)的仿真計(jì)算中，求解速度取決于所用電腦的性能。圖33殘差曲線由殘差曲線可以看出除CONTINUITY曲線外，其他曲線都在附近102103收斂，可以認(rèn)為系統(tǒng)收斂。（4）檢查仿真運(yùn)行結(jié)果如圖34所示為ICEPAK熱仿真軟件對(duì)功率管管以及散熱模塊周圍溫度分布云圖在XZ、YZ、XY三個(gè)方向截面上溫度的分布。（A）YZ截面溫度分布（B）XZ截面溫度分布（C）XY截面溫度分布圖34熱仿真溫度分布云圖通過對(duì)圖34的分析可以得到以下結(jié)論（1）主開關(guān)管由于功耗大因而溫度相對(duì)來說要略高一些，當(dāng)環(huán)境溫度在20時(shí)，MOSFET溫度穩(wěn)定在70左右。（2）由于機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致風(fēng)道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣體流動(dòng)受內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響造成散熱不暢。（3）如圖35氣體流速分布圖所示，出風(fēng)口附近氣流流速并不高，無法實(shí)現(xiàn)快速散熱效果，因而以附近MOS管溫度是整個(gè)機(jī)箱中最高的。（A）保護(hù)MOS管附近氣體流速（B）YZ截面氣體流速圖35氣體流速分布圖ICEPAK熱仿真結(jié)果，我們可以看出當(dāng)前設(shè)計(jì)存在諸多缺陷，需對(duì)機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。32設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)散熱結(jié)果影響要想實(shí)現(xiàn)對(duì)散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析及，就要充分了解了解機(jī)箱內(nèi)部各種參數(shù)對(duì)散熱結(jié)果的影響，包括散熱方式的選擇、風(fēng)道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、散熱片參數(shù)的設(shè)定、各模塊的擺放位置等。321散熱方式對(duì)散熱結(jié)果的影響在第四章中通過計(jì)算論證了在大功率的機(jī)箱設(shè)計(jì)中，自然散熱方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足散熱要求。通過熱仿真軟件可證明此計(jì)算結(jié)果。自然散熱,即令強(qiáng)制散熱風(fēng)扇輸入風(fēng)量為0，其溫度分布如圖57所示圖37自然散熱溫度分布云圖從溫度分布云圖可以看出，采用自然散熱方法機(jī)箱內(nèi)部的最高溫度達(dá)到了1208，平均溫度達(dá)到83，不能滿足設(shè)計(jì)要求。322散熱片參數(shù)對(duì)散熱結(jié)果的影響XYZNDL1D1L圖38散熱器結(jié)構(gòu)如圖58所示為常用散熱片結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括散熱片翅數(shù)量N，散熱翅片厚度D1，散熱翅片高度L，散熱底座厚度D，本節(jié)將通過ICEPAK熱仿真軟件對(duì)各參數(shù)對(duì)散熱結(jié)果的影響進(jìn)行分析。（1）散熱片數(shù)N對(duì)散熱結(jié)果影響設(shè)置散熱翅片數(shù)N為410片，每片厚度為1MM，通過熱仿真檢測(cè)在吹風(fēng)式風(fēng)道中機(jī)箱內(nèi)最高溫度、平均溫度、散熱片平均溫度，從而研究散熱翅片數(shù)量對(duì)散熱結(jié)果的影響。表32散熱片熟數(shù)量與溫度關(guān)系表散熱翅片數(shù)機(jī)箱最高溫度機(jī)箱平均溫度散熱底板溫度49168933088172675854605303806685678038630273980477700093017335028705427301669707970345330067278210626722291605868散熱片數(shù)量并不是越多其散熱效果越好。受流體力學(xué)的影響，散熱片數(shù)量過多將導(dǎo)致散熱片的間距過于狹窄，導(dǎo)致散熱片間的氣流的流速無法提高；同時(shí)隨著散熱片數(shù)量增加，其截面積相應(yīng)擴(kuò)大，其對(duì)氣流的阻礙作用隨之增加，影響了散熱效果。由熱仿真結(jié)果可以看出對(duì)于本次設(shè)計(jì)使用的寬L3CM的散熱片來說，10枚散熱翅片能起到最好的散熱效果。2）散熱片厚度D1對(duì)散熱結(jié)果影響設(shè)置10枚散熱翅片，散熱片厚度D1從05MM15MM變化，通過熱仿真檢測(cè)在吹風(fēng)式風(fēng)道下機(jī)箱內(nèi)最高溫度、平均溫度、散熱片平均溫度，從而研究散熱器底座厚度對(duì)散熱結(jié)果的影響。表33散熱片翅片厚度與溫度關(guān)系表散熱片厚度MM機(jī)箱最高溫度機(jī)箱平均溫度散熱底板溫度056251792865844900656231282885986000862316128859868616474963026234801262901229661295615621141305608836（3）散熱器底座厚度D對(duì)散熱結(jié)果影響設(shè)置10枚厚度為08MM，寬度3CM，長(zhǎng)度17CM散熱翅片，通過改變散熱器底板厚度從1MM5MM變化，通過熱仿真檢測(cè)在吹風(fēng)式風(fēng)道下機(jī)箱內(nèi)最高溫度、平均溫度、散熱片平均溫度，從而研究散熱器底座厚度對(duì)散熱結(jié)果的影響。表34散熱底板厚度與溫度關(guān)系表基板厚度MM機(jī)箱最高溫度機(jī)箱平均溫度散熱底板溫度18718402927680712756668289685671367366929164241146440962936034525623161288598686323風(fēng)道結(jié)構(gòu)對(duì)散熱結(jié)果的影響（1）吹風(fēng)式風(fēng)道散熱模型如圖39所示為采用吹風(fēng)式機(jī)箱的簡(jiǎn)單模型，有溫度云圖可以看出，雖然主開關(guān)管功耗以及同步整流管功耗都遠(yuǎn)大于保護(hù)電路MOS管功耗，由于主電路距離風(fēng)扇距離較近，器件表面氣流流速大，因而能夠受到良好的散熱，器件表面溫度為4050；而保護(hù)電路處于風(fēng)道末尾，此位置因遠(yuǎn)離風(fēng)扇，氣流流速已大大降低無法實(shí)現(xiàn)很好的散熱效果，器件表面溫度達(dá)到5060。機(jī)箱不同位置氣圖39吹風(fēng)式風(fēng)道溫度云圖（2）抽風(fēng)式風(fēng)道散熱模型抽風(fēng)式風(fēng)道溫度云圖如圖310所示。通過分布云圖可以看出抽風(fēng)式風(fēng)道在機(jī)箱內(nèi)產(chǎn)生的氣流速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吹風(fēng)式風(fēng)道，因而熱能大量積聚在機(jī)箱內(nèi)部，造成散熱不暢，機(jī)箱內(nèi)平均溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于吹風(fēng)式風(fēng)道圖310抽分式風(fēng)道溫度云圖（3）混合式風(fēng)道散熱模型混合式風(fēng)道采用兩風(fēng)扇“前吹后拉”的方式實(shí)現(xiàn)，通過熱仿真得到其機(jī)箱溫度分布云圖如圖311所示。圖311混合式風(fēng)道溫度云圖通過前后兩個(gè)風(fēng)扇前來后推的方式，大大加快了機(jī)箱內(nèi)部氣流的流速，使機(jī)箱前后的的風(fēng)速始終保持在一相當(dāng)?shù)母?