電力電子器件及其裝置的散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

熱設(shè)計(jì) 2025-08-25

來源：中國知網(wǎng)

近些年來,隨著我國電力電子設(shè)備應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展以及功能發(fā)展的多樣化,促使我國電力電子設(shè)備在應(yīng)用發(fā)展方面邁入了全新的功能應(yīng)用階段?結(jié)合實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來看,當(dāng)處于高溫環(huán)境條件時(shí),電力電子設(shè)備常常會(huì)受到自身結(jié)構(gòu)因素的影響,在散熱問題方面表現(xiàn)較為突出?目前,為進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)電力電子器件及其裝置的散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究,研究人員主張立足于電力電子器件熱耗情況,對(duì)其涉及到的工作模式進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理研究?并采取科學(xué)合理的熱設(shè)計(jì)手段,延長航天器等電子產(chǎn)品的應(yīng)用壽命?由此不難看出,如何加強(qiáng)電力電子器件及其裝置散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),儼然成為當(dāng)前行業(yè)內(nèi)部亟待解決的工作問題?針對(duì)于此,研究人員應(yīng)該立足于當(dāng)前技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài),采取科學(xué)合理的措施,加強(qiáng)對(duì)電力電子器件及其裝置散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)力度,以確保電力電子器件及其裝置的功能優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮出來?

1多芯片組件(MCM)熱優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及問題分析

所謂的多芯片組件主要是指將多個(gè)半導(dǎo)體集成電路元件,以裸芯片的方式搭載于不同類型的布線板當(dāng)中?并在此基礎(chǔ)上,科學(xué)利用微焊接以及封裝工藝等實(shí)現(xiàn)整體封裝過程,確保電子部件及整機(jī)運(yùn)行功能需求得以滿足?結(jié)合當(dāng)前多芯片組件技術(shù)的發(fā)展情況來看,經(jīng)過多年的研究與發(fā)展,多芯片組件基本上已經(jīng)演變成為電力電子器件組裝技術(shù)的一種表現(xiàn)形式?結(jié)合實(shí)際應(yīng)用反饋情況來看,電力電子器件通過合理應(yīng)用多芯片組件技術(shù),不僅可以提高系統(tǒng)整體的運(yùn)行性能,同時(shí)還可以加強(qiáng)系統(tǒng)整體的運(yùn)行可靠性,具有重要的應(yīng)用價(jià)值?

最重要的是,多芯片組件工藝與傳統(tǒng)單芯片封裝工藝相比較而言,可在一定程度上提高電路單位體積內(nèi)的集成度,利于促進(jìn)電子設(shè)備高速化以及輕量化的發(fā)展?但是結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用發(fā)展情況來看,隨著多芯片組件單位體積內(nèi)功耗問題的不斷加大,芯片熱失效與熱退化現(xiàn)象逐漸明顯?究其原因,主要是因?yàn)槎嘈酒M件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏合理性,至系統(tǒng)工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)向周圍環(huán)境散發(fā)出去,進(jìn)而形成局部熱點(diǎn)明顯或者內(nèi)外溫度差較大的問題?

再加上工作人員對(duì)于多芯片組件多層材料的選擇缺乏合理性,導(dǎo)致多芯片各層材料在熱膨脹系數(shù)方面存在較大的差異性問題,容易對(duì)電力電子器件性能造成惡化影響?為進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)多芯片組件的熱管理力度,工作人員應(yīng)該對(duì)多芯片組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素問題進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理設(shè)計(jì)?最好可以立足于多芯片組件的應(yīng)用功能,從強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)方面入手,明確強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)內(nèi)容?并結(jié)合穩(wěn)態(tài)熱設(shè)計(jì)要求,提高電力電子器件及其裝置的散熱能力?

2電力電子器件及其裝置的散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

2.1強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容

目前我國多數(shù)電子設(shè)備在冷卻系統(tǒng)的選擇方面多以強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)為主?一般來說,強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)在組成部件方面主要以風(fēng)扇與散熱器為主?其中風(fēng)冷過程主要是借助風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)作用,促使散熱器肋片間存在的冷卻空氣逐漸向電子設(shè)備熱量范圍內(nèi)拓展,達(dá)到散熱的效果?在散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容的方面,工作人員需要從散熱風(fēng)扇選型以及散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理部署?在具體設(shè)計(jì)過程中,強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)主要可以放在如何準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)扇實(shí)際工作時(shí)間的參數(shù)點(diǎn)數(shù)據(jù)當(dāng)中?

客觀角度上來看,風(fēng)扇工作點(diǎn)主要是與散熱系統(tǒng)中的散熱性所產(chǎn)生的特性曲線相關(guān),同時(shí)也與風(fēng)扇自身的特性曲線相關(guān)?因此在正式研究與設(shè)計(jì)過程中,工作人員應(yīng)該從散熱器機(jī)械結(jié)構(gòu)影響角度對(duì)散熱器特性曲線問題進(jìn)行研究與分析?與此同時(shí),在風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)風(fēng)量確定以及散熱系統(tǒng)壓降工作結(jié)束之后,工作人員可以利用熱阻等效電路方法,對(duì)當(dāng)前電力電子器件實(shí)際工作的結(jié)溫問題進(jìn)行計(jì)算分析?根據(jù)實(shí)際計(jì)算分析反饋結(jié)果來看,器件結(jié)溫以及散熱器結(jié)構(gòu)等往往會(huì)對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)效果產(chǎn)生至關(guān)重要的影響,工作人員必須予以重點(diǎn)把握?為進(jìn)一步加強(qiáng)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱設(shè)計(jì)優(yōu)化效果,工作人員應(yīng)該對(duì)電力電子器件的損耗問題予以高度重視?一般來說,電力電子器件溫升產(chǎn)生的熱量主要是源于通電工作期間產(chǎn)生的功率損耗問題?當(dāng)功率損耗問題過于嚴(yán)重時(shí),器件結(jié)溫與表面溫度會(huì)急劇升高,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐善骷p壞問題?而通過利用穩(wěn)態(tài)熱設(shè)計(jì)優(yōu)化方法,可以促使散熱系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡狀態(tài)?因此想要弄清器件的溫升問題,我們應(yīng)該對(duì)電力電子器件工作過程中涉及到的功率損耗問題進(jìn)行研究分析?

在具體操作過程中,工作人員可以利用有限元軟件進(jìn)行仿真分析,并根據(jù)分析反饋結(jié)果對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理部署?在此基礎(chǔ)上,針對(duì)大功率電子設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的熱阻問題進(jìn)行研究分析?最好可以利用熱阻等效電路計(jì)算方法對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行反饋分析?除此之外,在熱阻計(jì)算方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面,建議工作人員可以根據(jù)電力電子器件及其裝置的散熱需求進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化,以期可以為總體散熱效果提供良好保障?

2.2瞬態(tài)熱響應(yīng)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容

強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱設(shè)計(jì)工作雖然可以集中反映出電力電子器件整個(gè)工作過程的平均結(jié)溫情況,但是在實(shí)際應(yīng)用方面,只能反映出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)各點(diǎn)的溫升,無法客觀地描述出電力電子器件在實(shí)際工作中的周期性開關(guān)狀態(tài)以及瞬時(shí)結(jié)溫情況?為確保電力電子器件瞬態(tài)最高結(jié)溫不超過安全規(guī)定范圍,我們有必要構(gòu)建散熱系統(tǒng)瞬態(tài)熱分析模型,針對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)熱問題進(jìn)行合理分析,并按照相應(yīng)的計(jì)算原則對(duì)任意時(shí)刻的結(jié)溫問題進(jìn)行合理計(jì)算?

與此同時(shí),所構(gòu)建的散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱模型應(yīng)該立足于熱平衡條件情況,對(duì)于器件斷電后散熱器冷卻過程所產(chǎn)生的散熱能力情況進(jìn)行明確研究與分析?需要注意的是,在構(gòu)建強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)瞬態(tài)熱分析模型期間,工作人員應(yīng)該立足于散熱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn),對(duì)于散熱系統(tǒng)任意時(shí)刻表面溫度的計(jì)算方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,促使散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作可以更加合理性與全面性?

2.3強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容

為確保散熱系統(tǒng)可以滿足小型化與輕量化發(fā)展目標(biāo),我們有必要對(duì)散熱系統(tǒng)熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理部署?其中,以散熱系統(tǒng)熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為首的方法措施,基本上可以視為確保強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)效果的重要保障?一般來說,散熱系統(tǒng)熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要以散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)為主要依據(jù)?與此同時(shí),利用散熱風(fēng)扇的特性參數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)變量?并在此基礎(chǔ)上,對(duì)環(huán)境熱阻以及散熱系統(tǒng)的壓降問題進(jìn)行研究分析,以確保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體散熱效果得以達(dá)到預(yù)期?在具體設(shè)計(jì)過程中,工作人員應(yīng)該從電子設(shè)備結(jié)構(gòu)以及風(fēng)扇風(fēng)壓等因素方面對(duì)散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)問題進(jìn)行合理確定?

最好可以在安全可靠的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)散熱系統(tǒng)壓力損失與重量的最小化?必要時(shí)也可以利用熱力學(xué)第二定律的最小熵產(chǎn)原理,減少熱動(dòng)力學(xué)損失問題?以組合型矩形翅片散熱器為例,在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)該對(duì)幾何參數(shù)及散熱風(fēng)扇的特性參數(shù)進(jìn)行合理確定,并將其視為設(shè)計(jì)變量,對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)整體進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化?對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)?根據(jù)設(shè)計(jì)反饋情況來看,這種設(shè)計(jì)方法不僅可以全方面加強(qiáng)散熱系統(tǒng)的運(yùn)行功能,同時(shí)還可以加強(qiáng)電力電子器件及其裝置的運(yùn)行質(zhì)量?

3結(jié)論

本文在電力電子器件及其裝置散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的研究分析方面,主要利用多芯片組件熱優(yōu)化設(shè)計(jì)原理,對(duì)電力電子器件及其裝置散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理設(shè)置?并在此基礎(chǔ)上,嚴(yán)格按照優(yōu)化設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則,對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的熱阻等效電路問題進(jìn)行研究分析?根據(jù)分析反饋結(jié)果來看,利用熱阻等效電路方法基本上可以加強(qiáng)熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)效果?與此同時(shí),進(jìn)一步對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)熱穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)問題?瞬態(tài)熱響應(yīng)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)問題以及熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了總結(jié)與歸納?總體來看,通過合理應(yīng)用上述方法措施,基本上可以達(dá)到優(yōu)化電力電子器件及其裝置散熱效果的目的,具有重要的實(shí)行意義?