風冷散熱對器件散熱的應用

　　風冷散熱對器件散熱的應用【1】

　　摘 要：隨著工業產品的快速發展，產品的散熱顯得尤為重要。

　　文章選擇風冷散熱器來進行研究，簡單闡明了散熱設計中的散熱計算、散熱器選擇、風冷散熱計算和風扇選擇等步驟，完成簡單的風冷散熱器設計。

　　關鍵詞：散熱計算，散熱器，風冷散熱，風扇

　　1 概 述

　　伴隨著現代高科技工業技術的不斷發展和進步，電子電氣類產品集成度不斷地提高，產品的功能結構設計的也越來越緊湊，但是任何的器件在工作時都存在一定的損耗，而且其中大部分的損耗是變成熱量消耗掉，甚至這部分熱能還為設備的使用壽命埋下隱患。

　　部分功率器件由于功率小或散熱速度足以抵消熱量產生，故不需要散熱裝置。

　　而其他大功率的器件若不采取合適的散熱措施，則可能致使器件的溫度超過允許的結溫，使得器件遭受損壞[1]。

　　所以我們常常將功率器件安裝在合適的散熱器上，利用散熱器的翅片的工作，將大部分的熱量用較快的速度散到更大的空間中去，必要時在流通通道中加裝風扇，強迫空氣對流起來加速熱量耗散，或者利用水冷、油冷等其他強迫散熱手段。

　　散熱并不是隨意而為之，必須經過合理的熱量計算，選擇合適的散熱器和強迫散熱手段。

　　在此以風冷散熱為對象來進行研究。

　　2 散熱器散熱的計算

　　我們將一些大功率器件安裝在合適的散熱器上，而熱量在傳遞過程中，往往形成一定熱阻，散熱器安裝上后卻能使產生的熱阻大大減小。

　　而熱量總是向著熱阻最小的方向流動，所以功率器件上的熱量基本是通過散熱器上散發出去的。

　　只有很少的熱量從器件其他方向散發出去。

　　故設定由器件管芯到底部的熱阻為RJC，器件底部與散熱器接觸的熱阻為RCS，散熱器散熱的熱阻為RSA，器件的最大功率損耗為PD，并已知器件允許的結溫為TJ、環境溫度為TA，忽略其他熱阻[2]，則總熱阻為：

　　RJA=RJC+RCS+RSA≤(TJ-TA)/PD

　　則允許最大散熱器散熱的熱阻RSA為：

　　RSA≤(TJ-TA)/PD-(RJC+RCS)

　　計算要以最大余量來考慮，所以設TJ=125 ℃，環境溫度TA=40～60 ℃，RJC的大小和管芯的尺寸封裝結構有關，這一點很多廠家說明中都有提到，還可以通過廠家提供的器件樣本數據中查到。

　　其中RCS的大小常常和安裝技術以及大功率器件的封裝方式有關，器件與散熱器間涂了導熱油脂的RCS典型值為0.10.2 ℃/W。

　　PD可根據不同器件的工作條件計算而得。

　　如此將RSA最大值計算出來，再通過查散熱器的產品手冊，找出合適的散熱器即可。

　　需要注意的是，以上計算值選值只作為參考意見，實際數值選擇視實際工作環境而定。

　　3 散熱器概要

　　功率器件常用的散熱器分為三種類型：平板散熱器、型材散熱器和叉指型散熱器。

　　散熱器一般來說都是標準件制造，國產型材散熱器常見型號為XC、DXC、XSF系列。

　　型材散熱器在工業中較為常用，一般都是鋁制品，其散熱面積比較大。

　　而叉指型散熱器有散熱體積小、對流效果好、重量輕便于攜帶和安裝等優點。

　　國產叉指型散熱器往往可以根據用戶可根據要求，切割成需要的長度，來制成非標散熱器，常見的國產叉指型散熱器的型號為SRZ系列。

　　散熱器到環境的熱阻隨著散熱器上的最大功率損耗PD增大而略微下降，因為當PD增大時，散熱器上溫升(TJ -TA)也會變大，從而使散熱器的輻射散熱和對流散熱的散熱能力增強，故表現為熱阻呈下降趨勢。

　　注意如果器件內部電路與散熱器之間不是絕緣的，則可以安裝云母墊片來進行絕緣，可以防止短路的發生。

　　如果在使用過程中器件的引腳，需要穿過散熱器，那么久要在散熱器上要鉆孔，此時可以套上聚四氟乙稀套管，來防止引腳與孔壁相碰。

　　散熱器要保持接觸面光潔，要遠離電源變壓器、大功率晶體管等熱源，可通過將散熱器處理成黑色來提升散熱效率。

　　4 風冷散熱計算

　　運用風扇對散熱器進行強制對流散熱，可以更好地保證熱量快速擴散。

　　在此，首先根據風速進行散熱設計。

　　設定需要散熱熱量為PD，空氣密度為ρ，熱容量為Cp，空氣體積流量為Q，進氣溫度為Ti，排氣溫度為To。

　　則風速計算如下式：

　　PD=ρCpQ(To-Ti)

　　其中，ρ，Cp取標準大氣壓下通用值，(To-Ti)取10～15 ℃，PD取功率損耗最大值，則可求出Q值。

　　另外，設氣流通過面積為A，空氣流速為v，則：

　　v=Q/A

　　一般來說，風扇的參數是在理想狀態下標定的，故實際運用中，風扇要承受更多的阻力等影響，所以實際選擇風扇參數時，一般使實際計算值等于風扇額定值的60%～80%左右。

　　5 風扇與散熱器之間距離影響

　　在功率器件強迫吹風冷卻情形下，由于吹風引起的風扇旋渦存在，導致散熱器與風扇間的距離對其流場均勻度影響較大，當散熱器與風扇間的距離足夠大時，風扇旋渦對流場的影響較小(從理論上講)，然而在工業產品設計過程中，一方面往往由于受設計體積的限制，不可能允許散熱器與風扇間的距離太大，另一方面，風扇與散熱器距離如果過大，減弱了風扇的散熱效果，也影響了散熱器的功效，故在有限的空間進行合理的距離調試是必要的。

　　如果在有軟件輔助的基礎上，利用FLOTHERM熱仿真分析軟件，通過合理控制熱設計冗余，可以得出一個較合理的風扇與散熱器的距離，為電源產品的結構設計提供借鑒[3]。

　　或者選用最基本的多點測試方法，具體如下：

　　在散熱器表面和翅片上黏貼一些溫度傳感器(如熱電偶)。

　　設風扇與散熱器之間的距離為L，假設L的變化范圍是0～25 cm，則散熱器不變，移動風扇，變換L值。

　　一般移動2～3 cm測量一次溫度。

　　將同一點的傳感器所測量的溫度進行比較，尋找最低溫度所對應的風扇位置。

　　當然這種測試方法比較原始，在某些環境下測量并不是很明顯。

　　比如L的可變范圍比較小，雖然在一定范圍內L越大，散熱越均勻，散熱效果應該越好，但由于距離短，如果測試精度低，可能測得的數據變化并不明顯。

　　其次，在較為密閉和比較開放的空間，散熱效果的變化也會差異很大。

　　另外，散熱器越大，對應散熱風扇越大，散熱器和風扇間的最佳距離也會跟隨變大。

　　6 結 語

　　對風冷散熱器的設計必須經過散熱計算、散熱器選擇、風冷散熱計算和風扇選擇等步驟，散熱器和風扇之間的距離也要適當調節。

　　另外還可以對散熱器散熱分布等進行計算，通過軟件對散熱結構進行仿真。

　　從而達到一個在特定條件下最優的散熱解決方案。

　　參考文獻：

　　[1] 李冰，李巖.淺談熱管及其在電子器件散熱方面的應用與發展[J].甘 肅科技，2009，(7).

　　[2] 張誠堅，高健，何南忠.計算方法[M].北京：高等教育出版社，1999.

　　[3] 李泉明.風扇出風口與散熱器間的距離對模塊散熱的影響研究[J].

　　風冷半導體空調的散熱實驗【2】

　　【摘 要】為了進行試驗，我們假設由兩組半導體模塊組成的半導體空調系統，制冷空間為850 mm×850 mm×850 mm，性能系數COP為0.80，整個系統輸入功率為200 W。

　　試驗結果表明，半導體熱電堆存最合適的儲冷塊厚度是10 mm，在12 V、2.8 A工況下，TEC1-12708型半導體制冷片可以得到較大的實際制冷量。

　　【關鍵詞】風冷半導體空調;散熱;實驗

　　本文將對有無儲冷塊或儲冷塊的厚度對半導體制冷器熱端強制風冷散熱的影響進行探討，以期找到能使熱電制冷的綜合性能達到最優的儲冷塊。

　　1 半導體制冷模塊

　　確定實驗臺所采用用的鋁塊厚度是實驗的前提準備工作。

　　圖1是單元模塊實驗結構示意圖，通常情況下，實驗中采用的儲冷塊分別為10mm和20mm。

　　在每次實驗時，為了減少變量，半導體制冷片及風機功率不變。

　　我們這次實驗目的主要是為了比對單元模塊加以下哪種儲冷塊更合適。

　　①不加儲冷塊;②10mm厚度的儲冷塊;③20mm厚度的儲冷塊。

　　2 單元模塊實驗

　　2.1 不加儲冷塊

　　圖2是在12、14、16、18、20、22 V的電壓下，冷風溫度隨時間變化的曲線，這次不加儲冷塊。

　　經過對圖2的觀察，我們知道在4min之前， 下降很快，當隨著時間的增加溫度開始回升。

　　并且，電壓為14 V時，冷風溫度已達到最低，也就是說溫度和電壓不是成反比的關系。

　　2.2 加10mm厚度的儲冷塊

　　圖3是在加10mm厚度的儲冷塊的情況下，冷風溫度隨時間變化的曲線。

　　在10、12、14、16、18、20 V的電壓下，有不同的曲線走勢。

　　經過對圖3的觀察，我們知道在9 min之前， 下降很快，以后溫度穩定下來。

　　并且，在這種情況下，電壓為12 V時，冷風溫度達到最低。

　　經過和圖2的比對我們發現，溫度平衡后更加穩定，但降到最低溫度所需的時間更長。

　　2.3 加20mm厚度的儲冷塊

　　圖4是在12、14、16、18、20 V的電壓下，冷風溫度隨時間變化的曲線，這次加20mm厚度的儲冷塊。

　　經過對圖4的觀察，我們知道在10 min之前， 下降很快，以后溫度開始穩定。

　　并且，在這種情況下，電壓為16 V時，冷風溫度降低幅度減小。

　　經過和圖2的比對我們發現，溫度平衡后更加穩定，但降到最低溫度所需的時間更長。

　　3 單元模塊對比實驗結果

　　圖5～8是熱端溫度在單元模塊中不加儲冷塊，加10 mm厚儲冷塊、加20 mm厚儲冷塊的工況下隨時間變化的曲線圖，電壓(12、14、16、18 V)不同，曲線變化也不盡相同。

　　通過對圖5～8的觀察對比，我們知道，儲冷塊厚度與冷風溫度并不是成反比的關系，反而隨著儲冷塊厚度的增加，熱端溫度逐漸升高。

　　這是因為加儲冷塊后，冷端散熱器和熱端散熱器之間的距離變大，導致半導體制冷片熱端產生的熱量和冷端產生的冷量無法及時散出。

　　同時，冷端散熱器得到熱端散熱器以輻射等方式傳遞過來的大量的熱，導致冷端溫度居高不下，而熱端散熱器把大量的熱傳給冷端散熱器后，熱端散熱片溫度相對較低。

　　4 結束語

　　通過實驗我們知道，熱端散熱器離冷端散熱器越遠，冷端散熱器所接收到的由熱端散熱器傳遞的熱量就越少，而儲冷塊更加大熱端散熱器與熱端散熱器之間的距離，所以應該加儲冷塊。

　　并且，加儲冷塊后，能明顯降低熱端對半導體制冷片冷端產生冷量的影響，也就是說，加儲冷塊可以使冷端風溫度更低。

　　綜合考量來看，采用10mm儲冷塊，在12V的電壓下，不僅能保證以較小的功率得到較優的制冷效果，還能保證穩定性，達到最佳的綜合性能。

　　參考文獻：

　　[1]金剛善，等.小空間半導體制冷的實驗研究[J].蘭州理工大學報，2004

　　[2]秦鋒，等.太陽能半導體空調的實驗研究與數值分析[J].蘭州理工大學學報，2007

　　機電工程中功率器件的散熱研究【3】

　　【關鍵詞】功率器件;散熱

　　1.散熱器基礎

　　作為散熱器的鋁合金型材，通常采用的是6000系列鎂硅鋁合金，其供應狀態包括T4、T5、T6。

　　模塊的散熱器選配，其散熱器主要選用6063鋁合金型材。

　　在眾多的鋁合金材料中，6063的導熱系數是較高的，達到209 W/mK，與純鋁的導熱系數237 W/mK比較接近。

　　其抗拉強度適中，厚度可小于6 mm。

　　供應狀態T5系由高溫成型過程冷卻后，不經過冷加工(可進行矯直、矯平，但不影響力學性能極限)，型材變形系數小，硬度一般，適宜作為功率器件的散熱器。

　　平板器件作為大電流的半導體器件，散熱器是作為電極導電的，表面不宜進行氧化處理。

　　2.選配散熱器的原則

　　散熱器的選取原則，應使模塊芯片的實際工作結溫低于芯片的最高允許結溫。

　　無論是連續工作制還是短時工作制，都不允許器件超結溫。

　　晶閘管結溫不超過125℃(398.15K)，整流管結溫不超過150℃(423.15K)。

　　模塊在使用時，必須配備適當的散熱器。

　　為保證功率半導體器件正常工作，散熱條件至關重要，主要涉及環境溫度、空氣流動、環境污染程度等情況。

　　隨著環境溫度的升高，器件P-N結到散熱器的溫差變小，嚴重影響散熱效果。

　　空氣流動越通暢，散熱器向環境散熱就越快，反之則散熱變慢。

　　環境污染越嚴重，散熱器上覆蓋的灰塵就會越多，不僅為散熱器向環境散熱增加了一個阻擋層，也使得散熱風機的葉片結垢而影響轉速，會嚴重影響散熱效果。

　　器件工作的空間大小也與散熱有關，狹小的空間會造成熱量聚積，減小模塊到散熱器的溫度梯度，影響散熱。

　　因此，要注意保持環境的清潔，設備上的灰塵也應及時清理。

　　晶閘管模塊的熱阻與功耗計算，按以下經驗公式：

　　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)――模塊芯片耗散功率

　　IRMS――通態電流交流有效值

　　ITAV /IFAV――晶閘管/整流管通態平均電流

　　rT /rF――晶閘管/整流管斜率電阻

　　VTM /VFM――晶閘管/整流管通態峰值電壓

　　VTO /VFO――晶閘管/整流管閾電壓(門檻電壓)

　　Rch――模塊基板與散熱器的接觸熱阻

　　Rja――芯片與環境間熱阻(總熱阻)

　　Rjc――模塊結殼熱阻

　　Rha――散熱器熱阻

　　Ta――模塊使用環境溫度

　　Tc――模塊基板溫度(殼溫)

　　Tj――P-N結溫度

　　3.連續工作制的散熱器選配

　　連續工作制的半導體器件，選配散熱器要充分考慮影響熱傳導的各種因素。

　　散熱器的選配只能是半定量計算，環境溫度、散熱空間、灰塵、空氣流速等環境因素對散熱條件均有影響，選配散熱器時要多方考慮。

　　散熱器的散熱效果主要取決于散熱器的表面積，其表面積越大，散熱效果就越好。

　　計算散熱器表面積時，其端面可忽略。

　　要增大散熱器表面積可增加其長度，但散熱器的長度又不能無限制，而且，散熱器的熱阻與其長度非線性關系!模塊熱量的傳導以垂直方向為主，橫向傳導則要慢很多，因此，單純依靠加長散熱器是不可取的，而且在散熱器長度增加的同時也增大了風阻，從而降低了散熱效率。

　　而7m/s以內的空氣流速對散熱器的熱阻影響卻很明顯。

　　若利用公式(2)或公式(3)，通過計算，得到某模塊的耗散功率為240W，模塊的結殼熱阻Rjc=0.08K/W， 模塊與散熱器的接觸熱阻Rch=0.05K/W，環境溫度按最高溫度40℃，則按公式(1)，有

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

　　又Rja=Rjc+Rch+Rha，則

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

　　據此，可選擇DXC-616散熱器長度為100 mm、風速4 m/s的散熱條件即可，或者DXC-616散熱器長度為50 mm、風速不低于7 m/s(對風機要求較高)的散熱條件也可。

　　在實際工作環境下，模塊的通態平均電流不會達到額定值，可根據實際情況酌情考慮。

　　如果梳狀散熱器沒有相關試驗曲線，我們也可按下面的公式選配散熱器：

　　式中：

　　H――散熱器齒高

　　K――散熱器導熱系數(6063鋁合金的導熱系數209 W/mK)

　　l――散熱器長度

　　L――散熱器截面周長

　　v――風速

　　w――散熱器齒寬

　　n――散熱器齒數

　　最后得到的結果，Rha單位為K/W

　　4.短時工作制的散熱器選配

　　短時工作制，指的是功率半導體器件的持續工作時間不足以使散熱系統達到熱平衡，而其空載(或不工作)時間足以使系統恢復到環境溫度。

　　按國家標準，短時工作標準時間分為7種(30 s～90 min)。

　　短時工作制下，散熱器的主要作用不是散熱，而是吸收熱量，這就要求散熱器要有足夠的熱容量，在理想狀態下，可把功率半導體模塊的功耗發熱全部吸收。

　　實際工作中，雖然散熱器在吸收熱量的同時也向環境中釋放熱能，但因熱阻的存在會使熱量傳遞過程受到一定的阻礙，而且這種阻礙的效果遠大于散熱器的放熱效果，致使散熱器的溫度遠遠低于芯片結溫。

　　因此，在計算過程中，我們會忽略散熱器向環境釋放的熱能。

　　按GB/T3190-2008《變形鋁及鋁合金化學成分》的要求，作為散熱器的鋁合金型材，其鋁的含量一般在98%～99%，我們可按純鋁的比熱容0.88kJ/(kg・K)來計算。

　　以某廠家的KP2500-16平板硅為例，VTM=1.80V，VTO=0.75V，負載電機的每相工作電流有效值為1455A，短時工作環境為4倍電流、時間為30s。

　　則

　　每路反并聯平板硅通流的有效值為1455×4=5820A

　　每支平板硅通流的平均值為5820/2.2=2645A，略大于平板硅的額定值。

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

　　短時工作發熱量Q=PT(AV)tw=4164×30=124920J=124.92kJ

　　設定環境最高溫度為40℃，允許最高殼溫85℃，則有

　　124.92/(0.88×45)=3.15kg

　　每一組反并聯的平板硅需鋁合金散熱器3.15×2=6.3kg

　　如將上例中的散熱器改為銅材，銅的比熱容為0.39 kJ/(kg・K)，則有

　　124.92/(0.39×45)=7.12kg

　　每一組反并聯的平板硅需銅材散熱器7.12×2=14.24kg

　　5.結語

　　功率半導體器件的散熱器選配，只能是一種半定量計算，與實際情況相比，一定會存在偏差。

　　在結合實踐經驗的基礎上，還要根據實際工作進行相應的試驗。

　　掌握器件的極限值、進行功耗計算是關鍵，確定散熱器熱阻，在此基礎上選擇相應的散熱器。

　　因各種因素的影響，還需進行模擬實際工作情況試驗，才能選配合適的散熱器，既能保證功率半導體器件的散熱所需，又不會造成設備空間和設計成本的浪費。

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