電力電子熱管理的未來(lái)趨勢(shì)

在快速發(fā)展的電力電子領(lǐng)域，熱管理已成為確保設(shè)備可靠性、效率和壽命的關(guān)鍵因素。這對(duì)于電動(dòng)汽車等能源密集型行業(yè)尤其重要，其中碳化硅(SiC) 和氮化鎵 (GaN) 電子電路解決方案(例如逆變器、轉(zhuǎn)換器和充電電路)正在徹底改變這一領(lǐng)域。

介紹

與傳統(tǒng)硅開(kāi)關(guān)相比，SiC 和 GaN 器件具有更高的性能水平，因?yàn)樗鼈兡軌蛟诟叩碾妷汉皖l率下工作，并且開(kāi)關(guān)損耗更低。由于這些原因，它們可以在比過(guò)去的電子元件更低的溫度下工作。然而，雖然效率更高，但如此高性能不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量熱量，必須有效消散這些熱量，以避免組件損壞并確保最佳和安全的運(yùn)行。設(shè)計(jì)者采用多種策略來(lái)產(chǎn)生盡可能少的熱量，從而轉(zhuǎn)化為能量損失。

這些解決方案涉及所用散熱器的材料和形狀、先進(jìn)的冷卻技術(shù)(還涉及液體解決方案)、特殊傳感器的主動(dòng)熱控制，當(dāng)然還有電路和 PCB 的優(yōu)化設(shè)計(jì)。所有這些解決方案和行動(dòng)方法的總和決定了電源電路熱系統(tǒng)的改進(jìn)率。電子元件的冷操作始終是優(yōu)選的，設(shè)計(jì)人員采取各種措施來(lái)降低溫度值。對(duì)于電源應(yīng)用，溫度是需要持續(xù)關(guān)注的關(guān)鍵因素。開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗會(huì)使設(shè)備發(fā)熱并導(dǎo)致嚴(yán)重故障。

散熱器：形狀和材料

散熱器的作用是交換和傳遞熱量。它通常由金屬制成，并釋放和散發(fā)熱量以防止與其連接的設(shè)備過(guò)熱。保持設(shè)備的溫度盡可能低符合設(shè)計(jì)者和最終用戶的利益。將其安裝在設(shè)備箱外部始終優(yōu)于安裝在設(shè)備箱內(nèi)。但如果條件需要內(nèi)部組裝，系統(tǒng)必須配備足夠的空氣流通。需要冷卻的組件通過(guò)直接接觸通過(guò)傳導(dǎo)將熱量傳遞到散熱器。散熱器反過(guò)來(lái)，通過(guò)對(duì)流將熱量分散到周圍環(huán)境(通常由空氣組成)。散熱器的設(shè)計(jì)是真正的藝術(shù)品，使用銅和鋁等高導(dǎo)熱材料可以顯著改善傳熱。

下面介紹由具有不同導(dǎo)熱系數(shù)的材料制成的三種散熱器的不同行為，即：

· 第一個(gè)散熱器由鋼制成，導(dǎo)熱系數(shù)為 61 mW/mm·°C

· 第二個(gè)散熱器由鋅制成，導(dǎo)熱系數(shù)為112 mW/mm·°C

· 第三散熱片材質(zhì)為銀，導(dǎo)熱系數(shù)為420 mW/mm·℃

目前，大多數(shù)耗散元件由銅或鋁制成，因?yàn)殂y太貴了。圖中的模擬是在 27°C 的環(huán)境溫度下進(jìn)行的，清楚地顯示了不同材料之間的良率差異?？梢钥闯?，鋼的特點(diǎn)是導(dǎo)熱率低，因此大部分熱量仍然“滯留在”電子設(shè)備附近，存在明顯的變質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，銀的特點(diǎn)是導(dǎo)熱率高，因此熱量可以很好地分布在散熱器的整個(gè)表面上，然后通過(guò)對(duì)流方式傳遞到空氣中。

尺寸和暴露在空氣中的表面決定性地決定散熱器的效率以及從電子元件到環(huán)境的熱傳遞。大多數(shù)散熱器都是由鋁制成的，因?yàn)樗莾?yōu)良的熱導(dǎo)體并且重量輕。散熱器的設(shè)計(jì)取決于要耗散的額定功率、環(huán)境溫度以及設(shè)計(jì)可用的空間。它由翅片組成，可增加暴露在空氣中進(jìn)行冷卻的表面積。它們的物理形狀旨在優(yōu)化暴露的表面積。當(dāng)然，換熱面是至關(guān)重要的;表面越大，散熱器的熱阻越低，但要冷卻的電氣元件的尺寸與散熱器本身的散熱表面始終需要正確的比率。

只有在最佳使用情況下，散熱器的熱阻才符合額定數(shù)據(jù)。該參數(shù)取決于尺寸(表面積、厚度)、物理形狀、材料、顏色、表面的衛(wèi)生狀態(tài)和方向。 顯示了環(huán)境溫度為 27°C 時(shí)三種不同鋁制散熱器的另一個(gè)熱模擬，突出顯示了其表面的溫度分布。

從“俯視圖”來(lái)看，這三個(gè)散熱器具有相同的二維表面，但具有不同的幾何形狀：

· 第一個(gè)是平板

· 第二個(gè)有一系列縱向翅片

· 第三個(gè)有一系列更密集和更薄的垂直翅片

三個(gè)散熱器的溫度分布不均勻。最熱的區(qū)域位于功率應(yīng)用區(qū)域附近，而最冷的區(qū)域位于鰭片的末端，距離晶體管最遠(yuǎn)的點(diǎn)。仿真顯示了散熱器的幾何形狀如何影響其散熱能力。由于模型設(shè)計(jì)中采用了厚度，三個(gè)暴露表面差異較大，下表列出了它們及其歸一化值。

第一散熱器是平板，其熱交換表面有限，因此呈現(xiàn)最高溫度。第二散熱器具有較大的熱交換表面，因此具有較低的溫度。第三個(gè)散熱器具有最大的熱交換表面，因此具有最低的溫度。

熱部件固定到散熱器上的物理形狀和位置非常關(guān)鍵，既要確定體積與表面積之間的良好比例，又要使熱量有效地傳遞到環(huán)境中。熱空氣比冷空氣輕，因此熱量的自然運(yùn)動(dòng)是從下到上。垂直放置翅片的散熱器比水平放置的散熱器在更好的條件下工作。散熱器的顏色也有其重要性，影響其性能。黑色散熱器可以通過(guò)輻射最大限度地?cái)U(kuò)散熱量。裸色或黑色陽(yáng)極氧化鋁是一種極好的解決方案，而其他顏色的質(zhì)量較差。最后，塑料涂料的熱特性很差，因此最好避免使用。在高功率系統(tǒng)中，液體冷卻比空氣冷卻提供更有效的熱傳遞。下表給出了對(duì)流傳熱系數(shù)的一些典型值。

它們使用中最關(guān)鍵的一點(diǎn)之一是設(shè)備和散熱器之間的有效熱連接。為此，使用了各種固定方法，例如熱粘合劑、機(jī)械固定、焊接和熱粘貼。

PCB散熱器

PCB 散熱器是熱管理的重要組件，因?yàn)樗鼈兛梢杂行岵⒎乐惯^(guò)熱問(wèn)題。他們的工作重點(diǎn)是降低電路中安裝的大功率組件的溫度，以將溫度保持在安全工作范圍內(nèi)，從而提高設(shè)備的可靠性和耐用性。 PCB 散熱器采用傳導(dǎo)冷卻方式運(yùn)行，熱量通過(guò)直接接觸從熱器件傳遞到散熱器。它還通過(guò)散熱器翅片進(jìn)行對(duì)流冷卻，從而增加了暴露于氣流的表面積。它還通過(guò)輻射冷卻進(jìn)行工作，通過(guò)將熱量從翅片傳遞到周圍環(huán)境來(lái)釋放電磁輻射。

PCB 散熱器設(shè)計(jì)涉及不同材料的使用，每種材料都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，鋁是首選，因?yàn)樗浅］p且經(jīng)濟(jì)，與銅一起，具有較高的導(dǎo)熱性，但更重且更昂貴，陶瓷材料，其特點(diǎn)是良好的導(dǎo)熱性和電絕緣性，最后是導(dǎo)熱塑料，具有較低的導(dǎo)熱性。具有導(dǎo)熱性，但可以直接成型在 PCB 上。特別重要的是散熱片，它增加了暴露于氣流的面積。翅片上較高的氣流速度可通過(guò)自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流增加散熱。為了改善散熱，可以通過(guò)提供更多數(shù)量的翅片來(lái)增加表面積。此外，可以通過(guò)自然通風(fēng)或強(qiáng)制通風(fēng)來(lái)改善氣流。

電池

在強(qiáng)大的能量傳輸過(guò)程中，電池會(huì)產(chǎn)生必須散發(fā)的熱量。由于內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，熱量的產(chǎn)生是不可避免的。該熱量與功率成正比。在電池快速充電(以及放電)過(guò)程中，電池中會(huì)產(chǎn)生大量熱量。鋰離子電池由于充電和放電過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生熱量。在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生并積聚熱量，嚴(yán)重影響性能、耐用性和安全性。在被動(dòng)冷卻中，空氣從電池組的外部流向內(nèi)部，從而冷卻電池組(見(jiàn)圖 3)。當(dāng)車輛移動(dòng)時(shí)，電池組的熱量被穿過(guò)空間的空氣消除，并從另一側(cè)排出。

這種方案通常適用于能量密度較低的電池，但在環(huán)境溫度較高且散熱要求較高的情況下，這種技術(shù)并不有效。為了改善冷卻，必須添加特殊風(fēng)扇來(lái)提高風(fēng)速并提高傳熱系數(shù)，從而產(chǎn)生更大的氣流。散熱除了冷卻電池本身外，還旨在減少其退化并增加可傳遞的能量，因?yàn)殡姵卦诟邷叵卤憩F(xiàn)不佳。在電池的熱管理中，必須使用溫度傳感器和控制算法來(lái)管理主動(dòng)熱控制。它們可以實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備和電池的溫度，以動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)扇速度并優(yōu)化冷卻。

具有高冷卻速率的高效充電電路對(duì)于確?？焖侔踩碾姵爻潆娭陵P(guān)重要，尤其是電動(dòng)汽車的大功率充電電路。這些電路采用先進(jìn)的電子元件和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)技術(shù)，以最大限度地減少充電過(guò)程中的能量損失。效率是限制能源消耗、最重要的是延長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵。高效冷卻至關(guān)重要，因?yàn)榭焖俪潆娺^(guò)程中產(chǎn)生的高電流和高電壓會(huì)產(chǎn)生熱量，從而損壞電子元件并影響電池性能。

結(jié)論

熱管理是電子電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵方面，特別是對(duì)于用于車輛應(yīng)用的高功率電路。選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s解決方案，例如安全可靠的散熱器和強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)于確保組件的可靠性和使用壽命至關(guān)重要。隨著電子設(shè)備功率密度的增加，技術(shù)的發(fā)展使得熱管理成為越來(lái)越重要的挑戰(zhàn)。

然而，材料、冷卻技術(shù)和熱控制方面的持續(xù)創(chuàng)新為克服這些挑戰(zhàn)和提高電源電路的性能提供了有希望的機(jī)會(huì)。電動(dòng)汽車等行業(yè)從先進(jìn)的熱管理策略中受益匪淺。能源效率對(duì)于最大限度地提高電動(dòng)汽車的自主性至關(guān)重要，它與有效冷卻逆變器、電機(jī)和電池組的能力密切相關(guān)。投資尖端熱管理解決方案不僅可以提高電子設(shè)備的性能和可靠性，還可以為采用 SiC 和 GaN 器件等新興技術(shù)鋪平道路，這些技術(shù)有望徹底改變電力電子行業(yè)。