1、高 等 電 力 電 子 技 術(shù),Advanced Power Electronics,第9章電力電子器件的熱設(shè)計(jì),9.1,穩(wěn)態(tài)熱阻與瞬態(tài)熱阻,耗散功率與結(jié)溫,耗散器常用的冷卻方式及特點(diǎn),基本內(nèi)容,9.2,9.3,正常情況下，電力電子器件的主要熱源是半導(dǎo)體芯片內(nèi)部。電能消耗產(chǎn)生的熱量首先通過熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移到管殼和散熱器上，然后經(jīng)熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射等三種基本傳導(dǎo)方式散發(fā)給空氣、液體和固體等吸熱介質(zhì)。 在這三種基本傳導(dǎo)散熱方式中，熱輻射散失的熱量很少，通常只占總散失熱量的極少部分。在利用空氣散熱的自然冷卻和風(fēng)冷卻方式中，對(duì)流是熱量通過管殼或散熱器向空氣散發(fā)的主要方式。當(dāng)用水或其它液體介質(zhì)散熱時(shí)，散熱器

2、壁與散熱介質(zhì)之間的熱傳導(dǎo)則成為主要的散熱方式。,9.1 穩(wěn)態(tài)熱阻與瞬態(tài)熱阻,為了理解方便，人們常常用電學(xué)模擬的方法來描述熱量的傳輸，將兩點(diǎn)或區(qū)域間的溫差 類同于電壓，單位時(shí)間通過散熱面的熱量 類同于電流，兩者的比值 則被稱作熱阻 。類似于電路的歐姆定律，熱學(xué)中的歐姆定律可表示為： （9-1） 式中 為散熱速率，單位是W，表示發(fā)熱體單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量，當(dāng)溫度穩(wěn)定以后，此功率即等于器件功耗。 熱阻 的單位為/W，它是一個(gè)與散熱材料、散熱方式、散熱面積、安裝方式等相關(guān)的物理參數(shù)，是反映散熱體散熱性能的一個(gè)綜合參數(shù)。,9.1.1穩(wěn)態(tài)熱阻,熱阻 可用下式表示： （9-2） 式中A為散熱體的散熱面積，單

3、位是m2；h是散熱系數(shù)，表示在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，溫差為1C，在1小時(shí)內(nèi)，通過1平方米面積傳遞的熱量，單位為W/(.m2)。,9.1.1穩(wěn)態(tài)熱阻,依據(jù)式（9-1），假設(shè)散熱器的耗散功率為 、環(huán)境溫度為 ，則芯片到外界環(huán)境的總熱阻可以表示為： （9-4）,9.1.1穩(wěn)態(tài)熱阻,在實(shí)際情況中常常把總熱阻 分為三個(gè)部分 ： 第一部分是從管芯到管殼之間的結(jié)-殼熱阻 ； 第二部分是從管殼到散熱器之間接觸熱阻 ； 第三部分則是從散熱器到環(huán)境之間的散熱器熱阻 。,若考慮到從管殼到環(huán)境的直接熱輻射作用 ，則總熱阻 可表示為式（9-6），相應(yīng)的等效熱網(wǎng)絡(luò)如圖9-2所示。,9.1.1穩(wěn)態(tài)熱阻,若忽略從管殼

4、到環(huán)境的直接熱輻射作用，總熱阻可表示為式（9-5），相應(yīng)的等效熱網(wǎng)絡(luò)如圖9-1所示。 （9-5）,當(dāng) 時(shí)，式(9-6)可簡(jiǎn)化為： ，在實(shí)際情況中，這相當(dāng)于未裝散熱器的小功率場(chǎng)合； 當(dāng) 時(shí)，即發(fā)熱器件安裝有散熱片、管殼向外界環(huán)境直接輻射散熱的作用可以忽略時(shí)，式(9-6)可簡(jiǎn)化為(9-5)。,9.1.1穩(wěn)態(tài)熱阻,以上分析僅考慮了散熱體單面散熱的情況，如器件在實(shí)際應(yīng)用中采用雙面散熱，可用并聯(lián)電路來模擬分析，將器件陰極熱阻與陽(yáng)極熱阻分別作為并聯(lián)的兩個(gè)分路進(jìn)行考慮。若忽略管殼到環(huán)境的熱輻射，則雙面散熱等效熱網(wǎng)絡(luò)如圖9-3所示：,9.1.1穩(wěn)態(tài)熱阻,在組成總熱阻的三項(xiàng)中： 第一項(xiàng)結(jié)殼熱阻 是一個(gè)與器件所用

5、材料幾何形狀及接觸情況相關(guān)的參數(shù)，而且與器件制造工藝有關(guān)。結(jié)殼熱阻還與器件應(yīng)用條件有關(guān)，即與電流波形、導(dǎo)通角、工作頻率等相關(guān)。 第二項(xiàng)接觸熱阻 與接觸面積、散熱器材料、表面粗糙度、接觸壓力等因素相關(guān)。接觸面積越小、金屬材料越硬、表面粗糙度和不平度越差、接觸壓力越小, 接觸熱阻就越大。 第三項(xiàng)散熱器熱阻 與散熱器材質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸、表面狀況、功耗元件的安裝位置以及冷卻介質(zhì)的性質(zhì)及狀態(tài)等多種因素有關(guān)。,9.1.1穩(wěn)態(tài)熱阻,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中瞬態(tài)熱阻抗的定義為：在某一時(shí)間間隔末，兩規(guī)定點(diǎn)（或區(qū)域）溫差變化與引起這一溫差變化的、在該時(shí)間間隔初始按階躍函數(shù)變化的耗散功率之比。,9.1.2 瞬態(tài)熱阻,以上討論的穩(wěn)態(tài)熱

6、阻實(shí)際上反映了器件散熱的穩(wěn)態(tài)特性。,在脈沖寬度較短，占空比較低的情況下，峰值結(jié)溫有可能遠(yuǎn)高于平均結(jié)溫，成為器件工作特性的主要限制因素。這時(shí)，結(jié)溫的高低不僅與器件的功率損耗有關(guān)，還在很大程度上取決于電流脈沖的形狀、脈沖的寬度和重復(fù)頻率，因而熱阻的概念不再適用。,瞬態(tài)熱阻抗就是為了計(jì)算開通、關(guān)斷、浪涌等瞬態(tài)時(shí)的結(jié)溫、功耗或負(fù)載能力而引入的。,瞬態(tài)熱阻抗反映了散熱體的熱慣性在熱量傳遞過程中對(duì)熱阻的改變，因而與穩(wěn)態(tài)熱阻仍保持有一定的關(guān)系。即可用穩(wěn)態(tài)熱阻 將瞬態(tài)熱阻抗 表示為： （9-9） 式中， 是一個(gè)與脈沖寬度 及占空比 有關(guān)的比例因子，本質(zhì)上也就是以穩(wěn)態(tài)熱阻 為1 的歸一化熱阻抗。 當(dāng)式（9-9）

7、中的占空比 無限縮小時(shí)即向單脈沖條件逼近，而單脈沖條件下的曲線則反映了器件每消耗1W功率所引起的結(jié)溫升隨脈沖持續(xù)時(shí)間 變化的情況。,9.1.2 瞬態(tài)熱阻,當(dāng)脈沖持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)的器件溫升 為 ，則脈沖持續(xù)時(shí)間為 時(shí)的器件溫升，按電量關(guān)系描述可寫成： （9-10） 式中， 是器件的熱時(shí)間常數(shù)（類似于電學(xué)的RC時(shí)間常數(shù)）； 表示熱容量（J/）。對(duì)于體積為 ，熱容為 ，密度為 的導(dǎo)熱材料，定義其熱容 。,9.1.2 瞬態(tài)熱阻,為了便于分析，假設(shè)引起器件溫升的脈沖功率是峰值為 的矩形波，其溫升隨時(shí)間變化關(guān)系見圖9-4。,將式（9-11）、（9-12）代人（9-10）即得： （9-13） 與式（9-9）

8、相比較，可知： （9-14）,9.1.2 瞬態(tài)熱阻,按照瞬態(tài)熱阻抗的定義，器件的溫升、功率損耗、瞬態(tài)熱阻抗三者關(guān)系可寫成：,（9-11）,而脈沖持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，器件溫升可以表示為：,（9-12）,當(dāng) 較大時(shí)，瞬態(tài)熱阻抗 與單脈沖瞬態(tài)熱阻抗 之間有下列關(guān)系：,1） 對(duì)于 不能忽略或者說不是單脈沖條件下的瞬態(tài)脈沖，瞬態(tài)熱阻抗則更加復(fù)雜，很難用具體的解析式來表達(dá)，器件生產(chǎn)廠家通常會(huì)以圖9-5的形式給出幾組典型的歸一化瞬態(tài)熱阻抗 數(shù)據(jù)。,9.1.2 瞬態(tài)熱阻,需要注意的是：,圖9-6表示了這種等效過程，此時(shí)等效矩形波的持續(xù)時(shí)間為： 式中， 是實(shí)際波形的幅值，也是等 效波形的幅值； 代表實(shí)際波形所 滿

9、足的函數(shù)；T是實(shí)際波形的持續(xù)時(shí)間。,9.1.2 瞬態(tài)熱阻,2） 瞬態(tài)熱阻抗是以矩形的電流波形來定義的，而實(shí)際電流往往并不是矩形波，如果要應(yīng)用瞬態(tài)熱阻抗進(jìn)行計(jì)算，就必須將實(shí)際電流波形等效為矩形波才能計(jì)算。,變換后，得到的溫升往往高于實(shí)際溫升，這是由加熱時(shí)間集中所導(dǎo)致。,耗散功率與結(jié)溫是影響功率器件安全運(yùn)行的兩個(gè)重要參數(shù)，設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)其在各種運(yùn)行條件下的變化規(guī)律有充分的了解 。散熱設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是根據(jù)器件的功率損耗與熱平衡條件計(jì)算出所需散熱器的熱阻，繼而根據(jù)散熱器的材料、形狀、表面狀況、冷卻介質(zhì)等設(shè)計(jì)和選擇合適的散熱器，以保證器件安全、可靠地工作 。,9.2 耗散功率與結(jié)溫,器件的功率損耗是指器件

10、在單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量，而耗散功率是散熱器在單位時(shí)間內(nèi)散失的能量。在設(shè)備正常穩(wěn)定工作時(shí)，器件的功率損耗和散熱器的耗散功率將達(dá)到平衡，器件的溫度保持恒定，即系統(tǒng)達(dá)到了熱平衡狀態(tài)。對(duì)于連續(xù)的功率脈沖，是指平均耗散功率與平均功率損耗相等。 對(duì)矩形功率脈沖，其平均功率損耗為：,9.2.1 開關(guān)器件的功率損耗,式中, 是脈沖幅值； 是脈沖寬度； 是脈沖周期； 是占空比。,對(duì)于任意波形的連續(xù)脈沖，可利用具有記錄功能的數(shù)字示波器記錄負(fù)載在特定溫度下的一個(gè)完整開關(guān)周期中的瞬時(shí)電壓u(t)和電流i(t)，然后利用圖解積分法求出一個(gè)周期中的平均功率損耗Pd，即： 實(shí)際器件中，通常包括通態(tài)損耗、開關(guān)損耗、斷態(tài)漏電損

11、耗以及門極損耗。,9.2.1 開關(guān)器件的功率損耗,式中， 是脈沖周期。,1. 通態(tài)損耗 通態(tài)損耗功率是器件在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)態(tài)損耗。當(dāng)器件工作在低頻條件（一般指其開關(guān)頻率在數(shù)百赫茲以內(nèi)）時(shí)，通態(tài)損耗是器件損耗中的主要組成部分。,9.2.1 開關(guān)器件的功率損耗,功率器件在通過矩形連續(xù)電流脈沖時(shí)，其通態(tài)損耗一般用平均通態(tài)損耗 進(jìn)行描述，而平均通態(tài)損耗 可用器件通態(tài)壓降 、電流脈沖的幅值 及占空比 表示成：,對(duì)于功率MOSFET, 生產(chǎn)廠家在開關(guān)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的多是器件的通態(tài)電阻而不是通態(tài)壓降。因此平均通態(tài)損耗 可由下面的公式計(jì)算得到： 式中， 為漏極電流； 為功率開關(guān)器件的通態(tài)電阻，并且 是溫度

12、的函數(shù)，即 式中， 是 在25時(shí)的額定值； 是其溫度系數(shù)。 另外，獲得器件通態(tài)平均功耗更簡(jiǎn)捷的方法是查看廠家提供的產(chǎn)品手冊(cè)上的 特性曲線。通過曲線，可以直接查到對(duì)應(yīng)平均電流的通態(tài)平均功耗，給器件熱設(shè)計(jì)帶來極大方便。,9.2.1 開關(guān)器件的功率損耗,2. 開關(guān)損耗 開關(guān)損耗包括開通損耗和關(guān)斷損耗。一般而言，多數(shù)器件的關(guān)斷時(shí)間 遠(yuǎn)大于開通時(shí)間 ，即關(guān)斷損耗在開關(guān)損耗中占主導(dǎo)地位，一次可將開通損耗忽略不計(jì) 。 由于開通、關(guān)斷時(shí)的電壓、電流波形較復(fù)雜，難以精確地對(duì)電壓、電流瞬時(shí)值乘積的積分進(jìn)行求解，因此常把開關(guān)時(shí)間間隔（關(guān)斷時(shí)間 或開通時(shí)間 ）內(nèi)的電流和電壓波形按下述方式進(jìn)行線性近似處理，從而簡(jiǎn)化開關(guān)

13、損耗的計(jì)算過程 。,9.2.1 開關(guān)器件的功率損耗,感性負(fù)載關(guān)斷過程中的電流和電壓波形圖 a）世紀(jì)感性負(fù)載波形圖 b）線性化感性負(fù)載波形圖 對(duì)感性負(fù)載，電流不可突變，故在整個(gè)關(guān)斷 期間，可近似認(rèn)為電流 保持不變，器件電壓從零線性上升至 。由此不難求取其感性負(fù)載時(shí)的關(guān)斷損耗 ，即： 式中， 。 和 分別表示斷態(tài)電壓和最大電流； 表示開關(guān)頻率； 表示關(guān)斷時(shí)間。,9.2.1 開關(guān)器件的功率損耗,對(duì)阻性負(fù)載，在 時(shí)刻，電流從 開始線性下降，并在 時(shí)刻下降到零；器件電壓在 時(shí)刻從零線性上升，并在 時(shí)刻上升到 。由此不難求取其阻性負(fù)載時(shí)的關(guān)斷損耗 ，即： 另外，開通損耗 的計(jì)算與關(guān)斷損耗 相似，只需將公式

14、中 換為 即可。這樣，由 即求出器件的開關(guān)損耗。 有些器件會(huì)在產(chǎn)品手冊(cè)中給出單次開通及關(guān)斷的損耗 、 和相關(guān)參數(shù)的關(guān)系曲線。從曲線圖中查出特定電流對(duì)應(yīng)的單次開關(guān)損耗后，即可利用以下兩式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的開通損耗 和關(guān)斷損耗 ，即：,9.2.1 開關(guān)器件的功率損耗,3. 斷態(tài)損耗 斷態(tài)損耗是指器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，由于存在漏電流導(dǎo)致的損耗。通常可忽略不計(jì)，但是若斷態(tài)電壓 很高，仍有可能產(chǎn)生較大的斷態(tài)功率損耗 。理論上， 也應(yīng)通過求解漏電流與阻斷電壓瞬時(shí)值乘積的積分得到。但斷態(tài)損耗遠(yuǎn)小于通態(tài)損耗，因此一般可有下式初略估計(jì)，即: 式中， 是正向或反向峰值電壓， 為峰值電壓對(duì)應(yīng)的平均漏電流。,9.2.1 開關(guān)

15、器件的功率損耗,4. 門極損耗 門極損耗指器件開關(guān)過程中消耗在晶閘管門極、晶體管基極、或IGBT柵極等上的功率。一般情況下，這部分的功率損耗與器件的其他部分損耗相比可以忽略不計(jì)，但對(duì)于GTO、GTR等通態(tài)電流比較大的功率器件則需要特殊考慮。這是因?yàn)椋篏TO關(guān)斷大電流所需的控制極關(guān)斷電流較大；而GTR正向電流增益較小，當(dāng)集電極電流較大時(shí)，基極電流 也較大，且基極-發(fā)射極飽和壓降 往往遠(yuǎn)大于集電極-發(fā)射極飽和壓降 ，因此，當(dāng)GTR和GTO在通態(tài)電流較大時(shí)門極損耗較大，門極損耗 可按下式計(jì)算。即：,9.2.1 開關(guān)器件的功率損耗,在VVVF變頻器中，由于采用PWM控制以輸出正弦波電流，因而流經(jīng)其主電

16、路功率器件（如IGBT等）的電流及占空比不斷變化，從而給VVVF變頻器中功率器件耗散功率的估算增加了難度。下面以VVVF變脾氣三相逆變橋?yàn)槔懻撈渲泄β势骷暮纳⒐β使浪銌栴}。,9.2.2 VVVF變頻器中功率器件損耗 功率的分析,（VVVF）變頻器主電路和輸出電流波形,1. 功率開關(guān)的通態(tài)和開關(guān)功耗 在VVVF變頻器主電路中，每一個(gè)功率開關(guān)的通態(tài)功耗 為 式中， 為正弦波輸出電流的峰值： 為 且集電極電流等于 時(shí)的開關(guān)管飽和壓降（當(dāng)采用IGBT時(shí)）；D為PWM波形占空比（調(diào)制深度）； 為輸出電壓與電流直接的相位角（功率因數(shù)= ）。 而每一個(gè)功率開關(guān)的開關(guān)損耗 可計(jì)算得 式中， 為變頻器每橋

17、臂的PWM開關(guān)頻率； 為 且集電極電流為 時(shí)的每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的開通能量（當(dāng)采用IGT時(shí)）； 為 且集電極電流為 時(shí)的每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的關(guān)斷能量（當(dāng)采用IGT時(shí)）。,9.2.2 VVVF變頻器中功率器件損耗 功率的分析,2. 續(xù)流二極管損耗,在VVVF變頻器主電路中，逆變橋中每一個(gè)續(xù)流二極管的通態(tài)損耗 可計(jì)算得,而每一個(gè)續(xù)流二極管的反向恢復(fù)損耗 可計(jì)算得,式中， 為 情況下，續(xù)流二極管的正向電壓降； 為續(xù)流二極管反 向恢復(fù)峰值電路； 為續(xù)流二極管反向恢復(fù)時(shí)間； 為續(xù)流二極管最大反 向恢復(fù)電壓。,9.2.2 VVVF變頻器中功率器件損耗 功率的分析,3. 每一個(gè)橋臂的耗散功率 在VVVF變頻器主電路中，

18、逆變橋中的每一個(gè)橋臂的耗散功率為上述 各類損耗之和，即 由此，可以方便地計(jì)算出VVVF變頻器逆變橋的功率器件的耗散功 率。,9.2.2 VVVF變頻器中功率器件損耗 功率的分析,9.2.3 結(jié)溫,以圖9-10 (a) 所示的散熱系統(tǒng)為例，忽略管殼與環(huán)境之間的熱阻后，其等效熱網(wǎng)絡(luò)如圖9-10(b)所示。,a）常見散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu) b）等效熱路 圖9-10 散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與等效熱路,下面給出不同形式功耗下的結(jié)溫計(jì)算方法,一.穩(wěn)態(tài)功耗下的結(jié)溫計(jì)算,對(duì)于穩(wěn)定的器件功耗 , 結(jié)溫 為： 式中， 為殼溫，由散熱器熱阻 、接觸熱阻 與環(huán)境溫度 共同決定。,9.2.3 結(jié)溫,對(duì)于幅值為 的矩形脈沖功耗，結(jié)溫 是時(shí)間

19、的函數(shù)，隨時(shí)間變化，變化情況與脈沖的幅值、頻率、占空比等參數(shù)有關(guān)，但結(jié)溫的最大值必定出現(xiàn)在功率脈沖的下降沿。 1.對(duì)于單脈沖 結(jié)溫 自初始溫度 按指數(shù)規(guī)律上升，在功率脈沖下降沿 時(shí)刻達(dá)到最大值 ，然后再按指數(shù)規(guī)律下降，經(jīng)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后恢復(fù)至初始溫度 。,9.2.3 結(jié)溫,上升階段,下降階段,式中， 是整個(gè)散熱系統(tǒng)的熱時(shí)間常數(shù)，其大小與散熱系統(tǒng)的熱慣性有關(guān)，系統(tǒng)熱慣性越大，時(shí)間常數(shù) 越大。若功率脈沖出現(xiàn)時(shí)刻的原始功耗為零，則 即為環(huán)境溫度 。,二.矩形脈沖功耗下的結(jié)溫計(jì)算,2.對(duì)于連續(xù)脈沖可分為兩種情況：,（2） 當(dāng)時(shí)間間隔不足，結(jié)溫恢復(fù)到起始溫度 以前下一個(gè)脈沖即到來時(shí)，其結(jié)溫變化情況如圖所示

20、: 在開始階段，器件產(chǎn)生的熱量大于散失的熱量，后加脈沖所產(chǎn)生的結(jié)溫升的起點(diǎn)溫度與脈沖下降沿所對(duì)應(yīng)的峰值結(jié)溫逐漸升高。同時(shí)，器件熱量散失的速率逐漸加大。最終，當(dāng)熱量的產(chǎn)生與散失達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，結(jié)溫進(jìn)入周期性的等幅波動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)，脈沖周期所對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)溫度和終點(diǎn)溫度相同。,9.2.3 結(jié)溫,2.對(duì)于連續(xù)脈沖可分為兩種情況： （1） 當(dāng)連續(xù)脈沖的間隔時(shí)間足夠長(zhǎng)，在結(jié)溫恢復(fù)到起始溫度 以后下一個(gè)脈沖才到來時(shí)，其結(jié)溫變化情況與單脈沖相同。如圖所示。,9.2.3 結(jié)溫,例9.1 若某個(gè)開關(guān)器件的通態(tài)和開通、關(guān)斷過程全部功耗P為500W，其結(jié)-殼之間的熱阻 ,殼-散熱器之間的熱阻 環(huán)境最高溫度為 55 C，要

21、求開關(guān)器件結(jié)溫不超過120 C，請(qǐng)選擇一個(gè)合適的散熱器。 解：令結(jié)溫為120 C，結(jié)-殼之間的溫度差 ，故殼溫為120-30=90 C，殼-散熱器之間的溫度差 故散熱器溫度為90-15=75 C；若環(huán)境溫度為55 C，則要求散熱器與環(huán)境溫度的溫差不大于75-55=20 C，因此，要求散熱器與環(huán)境空氣之間的熱阻 根據(jù)要求值 =0.04K/W，即可由散熱器產(chǎn)品目錄選用合適的散熱器，其熱阻應(yīng)小于或等于0.04K/W，即可保證在環(huán)境溫度55 C，開關(guān)管功率不超過500W時(shí)，開關(guān)管PN結(jié)溫不超過120 C 。,9.2.3 結(jié)溫,9.3 散熱器的常用冷卻方式及特點(diǎn),電力半導(dǎo)體器件的散熱方式，按散熱器的特點(diǎn)

22、主要分為自冷、風(fēng)冷、水冷等幾種冷卻方式。每種冷卻方式都包含著2種或3種物理學(xué)上的散熱模式（輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)）。,9.3 散熱器的常用冷卻方式及特點(diǎn),1.自然空氣對(duì)流冷卻 自然空氣對(duì)流冷卻簡(jiǎn)稱自冷，其散熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用散熱器表面直接向周圍環(huán)境輻射散熱，無需其他輔助手段。使用此方式的散熱器時(shí)無噪聲，維護(hù)方便。但散熱效率差，散發(fā)單位功率所需體積大。,9.3 散熱器的常用冷卻方式及特點(diǎn),2.強(qiáng)迫空氣冷卻 強(qiáng)迫空氣冷卻簡(jiǎn)稱風(fēng)冷，與自冷相比，風(fēng)冷散發(fā)單位功率所需體積小。風(fēng)冷方式散熱器需要風(fēng)機(jī)，噪聲大，維護(hù)量也大，需要設(shè)計(jì)風(fēng)道，裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。 風(fēng)冷散熱方法對(duì)風(fēng)速有要求，散熱器的熱阻及流阻均隨風(fēng)速變化。所

23、謂流阻，對(duì)風(fēng)冷散熱器就是在風(fēng)道中，散熱器兩側(cè)規(guī)定點(diǎn)的壓力差。,9.3 散熱器的常用冷卻方式及特點(diǎn),3.循環(huán)水冷卻 循環(huán)水冷卻方法的特點(diǎn)是耗散單位功率的散熱器體積小、噪聲小。但冷卻系統(tǒng)需要水處理和循環(huán)設(shè)備，造價(jià)、系統(tǒng)體積和維護(hù)量較大。 水冷散熱器在運(yùn)行中要注意防漏、防堵塞、防凝露。凝露一般發(fā)生在濕熱季節(jié)，空氣相對(duì)濕度高，當(dāng)冷卻表面的溫度低于露點(diǎn)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)凝露，引起器件絕緣的破壞。凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生與環(huán)境相對(duì)濕度、環(huán)境溫度及散熱器冷卻表面溫度有關(guān)。,9.3 散熱器的常用冷卻方式及特點(diǎn),4.流水冷卻 流水冷卻的冷卻效果與循環(huán)水冷卻基本相似，不同點(diǎn)是不需要水處理及循環(huán)設(shè)備。流水冷卻雖然設(shè)備簡(jiǎn)單、投資低，但

24、其絕緣性差，耐壓低，冷卻水消耗量大，易產(chǎn)生凝露、水路堵塞、銹蝕，降低器件及系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命。一般不推薦使用。,9.3 散熱器的常用冷卻方式及特點(diǎn),5.循環(huán)油冷卻 與循環(huán)水冷卻類似，不過散熱介質(zhì)用油代替水。與水冷系統(tǒng)相比，在低溫環(huán)境中，冷卻介質(zhì)不易凍結(jié)，不需要水處理設(shè)備。但它的冷卻效果比水冷差。 6.油浸自冷卻 與循環(huán)油冷卻相比，油浸自冷卻不需要循環(huán)設(shè)備，但冷卻效果不如循環(huán)油冷卻。用于電力電子設(shè)備容量不大、要求絕緣較高而其他幾種冷卻方式都不適宜的特殊場(chǎng)合。,9.3 散熱器的常用冷卻方式及特點(diǎn),7.沸騰冷卻 沸騰冷卻卻是利用液體蒸發(fā)吸熱原理來進(jìn)行冷卻的一種散熱方式。在液體汽化過程中會(huì)吸收大量的熱量，所以沸騰冷卻方式冷卻效率很高。 應(yīng)用沸騰冷卻方式時(shí)，常采用熱管散熱器作為電力半導(dǎo)體器件的散熱設(shè)備，它是以水或其他傳熱流體為冷媒，密封在特制的銅管內(nèi)的沸騰冷卻散熱器。按其冷卻方式也可分為自冷與風(fēng)冷。,9.3 散熱器的常用冷卻方式及特點(diǎn),圖9-15 熱管散熱器主要結(jié)構(gòu),9.3 散熱器的常用冷卻方式及特點(diǎn),例9.2 圖9-16 a) 和 圖9-16 b) 分別是某種型號(hào)的快恢復(fù)二極管在25和150時(shí)的反向恢復(fù)