你将学习:
- 如何降低热阻。
- 看看传导和对流的两种形式。
- 翅片效率的重要性。
今天的电子电力架构要求高功率密度，即使在这些设计中的各种设备产生的热量增加的存在。目前的挑战是用一种称为散热片的经济高效组件来冷却这些设备。创建一个优化设计的散热器将提高电源的功率密度，设备可靠性，性能和使用寿命。
功率密度定义为功率变换器输出功率与变换器体积的比值。这是表征电力电子系统紧凑性的一个重要参数。
的散热器
热问题是电子系统故障的主要原因。设计环境的温度将直接影响电子器件的寿命。散热片是电子设计中的重要部件，可以增强电子器件的散热，特别是对于那些众所周知的宽频带隙(WBG)器件、mosfet、igbt和其他功率集成电路。线性和开关模式电源(SMPS)通常使用散热器来保持安全的工作温度。
散热器底板将热量传递给散热器散热片，散热片又将热量传递给电子设计周围温度较低的空气。
散热器有一个缺点:它扩大了电路板的表面积，增加了气流压降，从而减少了整个电路的气流体积，从而降低了传热系数。最大允许结温TJMAX是限制设备功耗质量的主要因素。参考文献1详细讨论了如何为特定的散热极限正确设计散热片。
降低热阻
如果设计人员能够减少空气间隙，那么半导体封装和散热片之间的热阻就可以降低，空气间隙是传热的重要阻力(图1)．
导热脂和其他导热化合物、弹性体、胶带等都是可以降低热阻的热界面材料(TIM)。
所述散热器的热阻也可以通过所述散热器底板的厚度降低。较低的厚度将影响导电效率，这将有助于平衡传递到散热器翅片。(注意:散热片可能会降低气流压力;设计者可能想要降低一些鳍的密度。参见下面的“Fin Efficiency”一节)。
增加强迫气流也可以通过引导强迫空气通过翅片来降低热阻。如果散热器与外壳表面顶部的间隙过大，强迫空气可能会绕过散热器。减小这个间隙将有助于确保强迫空气主要通过翅片流动。
采用适当的散热设计技术提高功率密度
散热器可能在结构上看起来很简单。然而，流体通过它的翅片场和它与周围空气的热耦合产生了一个相当复杂的问题。
在电子设计中实现更高的功率密度无疑是一个挑战。强制空气冷却将有助于显著提高设计的功率密度。让我们来看看一些好的热分析技术，它们将帮助设计师获得更好的功率密度。
开关和传导损耗会使器件迅速升温，超过其“最大结温”(Tjmax)。当这种情况发生时，就会发生性能故障、故障，最终在严重情况下会发生火灾。设计者必须计算出他们设备的温度，这样它们就不会超过TjMax，并且把这个参数尽可能的低。当涉及到PCB布局时，这是必须考虑热管理的点。
传导
为了改善热传导，散热器和部件应该使用热脂或TIM与平坦、光滑的表面连接。当在板上放置半导体时，间距应该允许均匀的功率密度。
对流
对流将热量从热表面转移到空气、水等，这些都是移动的低温流体。让我们看看对流的两种形式:
自然对流
自然对流是由来自不同密度的浮力引起的气流，浮力是由流体中的温度变化引起的。在一个设计合理的、在海平面条件下工作的自然对流散热器中，大约70%的热量是通过自然对流传递的，30%是通过辐射传递的(图2)．
对于散热器，翅片与翅片之间的间距通常应大于约0.250英寸(6毫米+)
强制对流
- 强制对流是由外部手段(如风扇、泵等)引起的空气流动。
- 散热器应该有至少0.080英寸(2mm)或更多的厚鳍片。
- 高翅片密度通常应该是6翅片/英寸，这是一个很好的平衡气流压力下降。
- 当从挤压翅片过渡到结合翅片时，对于具有非常高热流密度的应用，应选择铜翅片。
强对流智慧之言:
- 板安装的散热器需要交错安装，以确保气流通过所有散热片。
- 不要阻塞流向散热器的气流，例如在气流中放置大型部件或结构。
- 强制空气冷却必须按照自然对流的空气路径安排。
- 在自然对流中，使用大约0.5到0.6英寸厚的薄鳍片。
- 在强制对流中，使用约0.6到1英寸厚的鳍片。
- 增加锯齿形鳍片以增加表面积并减少散热器的热阻(通常可增加20%至30%)。
翅片效率
随着翅片长度的减小，厚度的增加，翅片的导热系数增大，换热系数减小(即气流速度减小)，翅片效率会增加。鳍的效率应该在40%到70%的范围内。散热片的数量在散热器中也很重要(图3)．
要注意，随着散热器温度的下降，散热器的效率也会下降。
冷却系统对功率变换器的总体积有很大的贡献。冷却系统的理论功率密度(换流器输出功率除以换流器冷却系统体积)表明了整个换流器系统功率密度的一个重要的理论极限。
功率变换器系统功率密度的理论极限
随着较高的吸热温度(特别是较高的翅片表面温度)，通过强制对流可以去除更多的热量。散热片表面可以减少，从而使散热片体积更小，因此功率密度更高。
结温越高，损耗越大，系统效率越低。在相同的输出功率水平下，降低的系统效率会导致更高的损耗，从而需要更大的冷却系统。这将部分抵消较高的散热片温度带来的好处。
基于wbg的电力电子系统的使用，加上先进的冷却技术，将导致高系统功率密度。
为了找到采用强制空气冷却的变换器冷却系统功率密度的理论极限，必须根据功率密度仔细优化散热器。
自然对流和辐射传热模式通常应用于低到中等功率密度范围的电子设备的冷却技术。这些可能是计算机芯片、各种电子设计和通信盒。自然对流的主要优点是可靠性高、噪音低、功耗低。
自然通风的机柜内部空气流动是由机柜内外的压差引起的。这种压力差的产生是由于空气中的密度梯度，它产生了一种力，将空气向上和向外推。由于相对较低的气流效率，电子设备的热设计必须进行优化。
为了产生能使外壳内部温度适当上升的气流，必须特别注意热源和通风外壳的几何配置。可以定义冷却系统的性能，从而可以直接比较不同的冷却系统(例如散热器加风扇)，同时考虑功率密度。
总结
散热片优化将有助于确定尺寸，重量和热性能，以满足电力系统的设计要求。找到最佳鳍片数量将决定水槽底部温度的最佳解决方案。当翅片数量增加超过一个最优值时，水槽的热性能将恶化。这将导致散热器u形通道内的流动受限，最终导致电子盒故障。
目标是确定最佳的翅片数量，以最大限度地传热。散热片厚度是获得最佳散热性能的主要参数。虽然更薄的散热片增加了散热片的最佳数量，但实际上减少了散热片的重量，提高了散热片的热性能。
优化散热器的设计和适当的气流将导致一个更紧凑的冷却系统与高抽热量。系统的高功率密度可以通过一个体积小、功率密度高的功率转换器加上散热片的高冷却能力来实现。
在电源架构中使用WBG设备将进一步提高整个系统的功率密度。
参考文献
1.《理解散热器的散热和设计》，应用报告SLVA462, 2011年5月
3.技术概要:“热分析的散热器设计事实和指南”Wakefield-Vette
