電力電子器件及其裝置的散熱結構優(yōu)化研究

郭金童

摘要：伴隨著改革開放，我國的經(jīng)濟實力得到了全方位的提升，大眾的生活水平邁入了小康社會。同樣的電力行業(yè)也取得了長足的進步，在電力系統(tǒng)升級換代過程中各種電子器件的原理及設計工藝逐漸復雜化，同時電子器件必須具備較高的散熱性能，因為電子器件元件的工作溫度需處于正常的溫度范圍之內(nèi)，進而保證電力裝置能夠穩(wěn)定、正常的運轉。

關鍵詞：電子器件;裝置;散熱結構;優(yōu)化

研究電子器件中的散熱單元需要具備多學科、多領域的知識，因此必須具備多學科、多領域的知識才能實現(xiàn)優(yōu)化散熱裝置設計、提高散熱性能的目標。除此之外部分功率較大且發(fā)熱量較大的設備在使用過程中還需要電風扇等輔助設備進行降溫，以確保設備能夠穩(wěn)定的正常運行。文章首先簡單描述電力電子器件相關情況及優(yōu)化其散熱結構的必要性，然后深入分析了優(yōu)化散熱結構的可行方案，最后介紹了最新的材料在實際應用時對散熱結構性能的要求，希望能夠為提升散熱結構設計或性能提供一些參考價值。

一、電子器件及優(yōu)化其散熱結構的必要性

伴隨著我國各行各業(yè)的發(fā)展，大眾的生活水平邁上了一個新的臺階。而在電力行業(yè)當中優(yōu)化各種電力設備成為了研究員、一線技術人員等人的主要工作內(nèi)容。伴隨著電力系統(tǒng)中各部分的升級換代，各種電子器件的體積不斷縮小，這意味著其內(nèi)部結構越來越緊湊，同時也越來越復雜，雖然體積減小有利于節(jié)約空間，但同時也帶來了散熱性能不佳的問題，進而導致電氣裝置無法持續(xù)的穩(wěn)定運行，而實際情況要求電力裝置必須做到24小時運轉。由此可見，必須解決電子器件的散熱問題，只有這樣才能使得電氣裝置長久的處于穩(wěn)定運轉的狀態(tài)。

二、電子器件散熱裝置的特征及原理

（一）電子器件散熱結構的主要特征

（1）電子器件散熱結構占電子器件的面積較小但熱流的密度較大從而導致熱量的高度集中。電子器件是電力裝置的核心組成部分之一，因此必須具備良好的散熱性，進而確保電力裝置能夠持久、安全、穩(wěn)定的運轉。

（2）電子器件的散熱結構是多學科領域交叉綜合的產(chǎn)物，具體而言有如下學科：電子、材料、物理、傳熱等。電子器件的科研、制作、應用等環(huán)節(jié)均涉及以上領域。例如極端天氣環(huán)境下需要使用電風扇或者泵等外在輔助設施加強散熱結構中冷卻介質的散熱能力，此時即應用了物理學中空氣流體力學的相關知識。除此之外，電子元器件的熱、電、力等多個物理場的耦合問題需要重點關注并進行深入的研究。

（3）真空環(huán)境下散熱的特殊性。當電子器件處于真空環(huán)境時與非真空環(huán)境相比存在一些特殊性，主要在于真空環(huán)境下散熱結構及其通道不同：非真空環(huán)境下電子器件散熱的主要方式是散熱單位表面及電子器件殼體與四周環(huán)境的空氣對流從而完成散熱，而真空環(huán)境下的散熱主要依賴于熱傳導、熱對流及熱輻射等形式，以下是此三種情況的簡述：

①熱傳導，其原理為物體自身的原子、分子等微觀層面的粒子進行熱運動，從而將熱量從較高溫度的地方轉移至較低溫度的地方，并且能夠計算得出該物體的熱阻值。

②熱對流，此種散熱方式主要發(fā)生在流體和與流體接觸的固體表面之間。由此可知此中散熱方式的影響因素有導熱規(guī)律及流體的流動原理，通常按照冷卻定律計算傳導的熱量。如果依照流體流動的原因進行劃分，則可以分為兩種：自然對流、強迫對流。自然對流顧名思義是由于流體自身的各個部分間存在溫度差而自發(fā)產(chǎn)生的對流，具體而言是溫度差引發(fā)了流體溫度較低處下降，而溫度較高處上升。強迫對流則是指使用電風扇等外在輔助設備輔助降溫過程中產(chǎn)生的對流。

③熱輻射，根據(jù)物理學可知熱量能夠形成電磁波的輻射。簡言之其原理為物體的溫度大于絕對零度的情況下，物體自身熱量會持續(xù)性的向外輻射，與此同時周圍的物體所散發(fā)出來的熱輻射也會被該物體所接收。而計算熱輻射的數(shù)量時通常使用網(wǎng)絡分析法

（二）電子器件散熱結構基本原理的深入研究

只有深入了解并掌握了電子器件原理及其散熱結構的原理后才有可能實現(xiàn)對優(yōu)化散熱結構設計的優(yōu)化、降低其制造成本等目標。本文將從以下幾個角度入手進行深入研究：

（1）熱阻的基本原理及怎樣降低熱阻。電子器件在工作過程中會不斷的產(chǎn)生并散發(fā)熱量，如果自身熱量超過一定的閾值則會增加對能量的消耗，同時其運行穩(wěn)定性也會降低。因此研究人員增加了散熱結構來幫助電子器件散熱，通常是使用具備高導熱系數(shù)的材質與發(fā)熱的元件相接觸，之后借助熱熔較高的介質將熱量散發(fā)出去，最終達到散熱的目標。由此可知應當高度重視散熱結構及電子器件的布局，如果間距過窄則極大概率上導致散熱性能不佳。

（2）選用合適的風冷散熱器并進行優(yōu)化。風冷散熱器的結構主要包含：底板及翅片，其原材料通常為銅鋁合金。依照設計結構可將風冷散熱器分為如下幾種，在選用時應當了解其優(yōu)點、缺點及其應用環(huán)境，然后選取合適的類型：

①擠壓鋁型材式，即通過熱擠壓的工藝將合金鋁錠擠壓成型。此類型的優(yōu)點為：熱阻較小、較強的抗腐蝕性、較高的散熱效率，缺點則表現(xiàn)為：散熱結構的翅片及其寬度在高度及厚度等方面有較多的限制。適用的環(huán)境為海船等特殊環(huán)境。

②拼接翅片式，即把翅片的根部疊放在一起。此種材料的優(yōu)點為可以靈活的制造出各種翅片，缺點則為此類型的風冷散熱器具有較高的熱阻，不利于散熱。

（三）電子器件散熱結構的復雜性分析

上述曾經(jīng)提到電子器件散熱結構的研究、設計和應用等環(huán)節(jié)均涉及諸多學科領域例如物理學、材料學等，由此可知需要綜合應用各學科知識方能達到優(yōu)化散熱結構的設計、降低其制造成本等目標。另外，如果某些電力裝置功率大、發(fā)熱量高則需要借助外在的輔助設備進行散熱降溫，這個過程則需要掌握并運用空氣流體力學的原理。由此可知如果想要設計一個完整的、良好的散熱結構需要應用到許多理論。只有綜合考慮到各方面的因素才能設計出一個科學的散熱結構，進而保證電力裝置能夠處于正常的溫度環(huán)境并且穩(wěn)定的運轉。

三、可行的散熱途徑及其分析

在開始優(yōu)化電子器件散熱結構之前需要認識三種散熱途徑：傳導散熱、輻射散熱和對流散熱。傳導散熱的原理是依賴裝置自身的原子、分子互相進行熱的傳播及散熱，進而降低電子器件的溫度;輻射散熱是自然散熱的一種，其原理為當物體溫度高于絕對零度時會對外散發(fā)熱輻射從而完成散熱;對流輻射的基本原理有兩種：其一是物體與其他物體接觸面產(chǎn)生對流，其二為流體內(nèi)部產(chǎn)生對流。根據(jù)對流的方式不同可以細分為兩種對流方式：強迫對流、自然對流。前者是使用外在設備風扇等設備引發(fā)對流，后者是由于自然溫差而自發(fā)產(chǎn)生的對流。由此可知，熱傳播有多種形式，優(yōu)秀的科研人員應該依據(jù)電子器件的發(fā)熱程度選擇恰當?shù)纳岱绞讲⑦M行科學的設計，最終達到提高散熱能力的目標。

四、電子器件散熱結構優(yōu)化方案

（一）選擇合適的散熱片材料

散熱片是廣泛應用的散熱材料之一，常用于各種電氣元件的散熱結構。其優(yōu)點主要體現(xiàn)在：成本較低、導熱性良好以及其散熱的設計可以及時散發(fā)電子器件在工作過程中產(chǎn)生的熱量。制作導熱片時可選用的材質有很多，根據(jù)導熱性的高低進行排列其順序為：銀、銅、鋁及其他材質。雖然銀的導熱性最高，但因為成本高，因此大多僅應用于精密儀器的制作。而銅、鋁的成本低，更適合廣泛應用。但是實際使用則發(fā)現(xiàn)：銅質量較重、難以塑性的缺點以及鋁過于軟的缺點使得純銅和純鋁無法很好的發(fā)揮作用。所以業(yè)界大多采用鋁合金，鋁合金的優(yōu)點體現(xiàn)在：質量較輕、硬度和強度均較高因此不容易變形、價格低廉。綜上可知，散熱片的原材料大多選用鋁合金[1]。

（二）散熱片對設計的要求

設計散熱片時主要需要考慮的因素是哪些因素影響了散熱。其目的是從根源上改善散熱性不佳的問題從而提高散熱片的性能。一般而言影響散熱的主要因素之一是散熱面積的大小，據(jù)此可知在設計及制作散熱片時應當在有限的空間內(nèi)盡可能的提高散熱面積。多數(shù)情況下是在鋁合金制散熱品的垂直方向上豎立若干片，以此來擴大散熱片的面積，提高散熱的性能。然而在實際應用中此種做法仍不能很好的滿足散熱的需求，因此部分廠家升級了方案，例如增加鰭片的個數(shù)并折彎鰭片進一步擴大散熱面積，測試結果顯示此方案確實能夠再次提高散熱性能[2]。

（三）散熱結構的設計標準

優(yōu)化電子器件散熱結構需要根據(jù)實際的需求及具體的情況綜合考慮各種可行性方案。深入分析可知在電子器件散熱結構運行時影響其散熱過程的是各項基本的參數(shù)。所以需要在了解實際的需求之后開展綜合性的分析，進而設計方案優(yōu)化散熱結構的基本參數(shù)，最終實現(xiàn)提高散熱性的目標。如果要按照電子器件元件的功率溫升選擇合適的散熱裝置則可以事先進行一定的運算，此做法不僅可以選擇出合適的散熱器還可以做到精準的把控各項參數(shù)，最終順利完成散熱結構的方案設計工作，制作出滿足散熱需求的散熱結構。

（四）散熱結構助力片的個數(shù)

有科研人員研究了散熱器助力片間距與厚度之間的變化關系，結果顯示熱阻的關系確實在一定水平上影響了散熱的效率，即合理的降低熱阻可以在一定水平上提高散熱結構的散熱效率。需要考慮到散熱結構具體應用環(huán)境及其散熱條件，然后以此為前提展開實驗研究，其目的為優(yōu)化各項參數(shù)，優(yōu)化散熱結構。

（五）合理使用導熱絕緣膠

如果電子器件的散熱結構已經(jīng)能夠在實際應用中穩(wěn)定運行，此時如果想進一步提高散熱效率可以考慮合理運用導熱絕緣膠來進一步提高散熱性能。導熱絕緣膠可以滿足多種場景下提高電子器件散熱性能的需求。然而此方法的缺點在于由于導熱絕緣膠是全方位的覆蓋在電子器件上，這提高了對電子器件進行維修的成本，簡言之如果使用了導熱絕緣膠則在維護性檢測時難以全面檢測或判斷故障成因。除此之外部分結構復雜的電子器件散熱結構較為緊密，所以會將導熱絕緣膠作為“黏合劑”將各個零部件粘接起來，此種做法也可以發(fā)揮導熱絕緣膠的性能?？偠灾?，在使用導熱絕緣膠時需要根據(jù)實際情況靈活運用，最終實現(xiàn)提高電子器件散熱性能的目標。

五、新型材料及先進技術的應用

（一）微槽平板熱管在散熱結構中的運用

微槽平板熱管（如圖1）的原理為：利用蒸汽槽彼此連接的結構特性，減小熱管內(nèi)的蒸汽與液體反向流動而產(chǎn)生的界面摩擦力，因此液體在微槽內(nèi)的流通性得以提高，最終在一定水平上提高電子器件元件固體表面的傳熱系數(shù)。此前沿技術尚處于研究的初級階段，我國科研學者在微槽平板熱管技術的實際應用上也有所建樹，即針對微槽平板熱管的兩個方面：不同的材料結構例如不銹鋼、水銅等以及矩形槽道設計了一系列實驗探究其冷卻性能的大小。經(jīng)過實驗科研人員獲知了最佳導熱系數(shù)及微槽平板熱管較為適宜的充液率區(qū)間。為日后在電子器件散熱結構中廣泛應用微槽平板熱管技術打下了堅實的技術基礎。

（二）導熱石墨片在散熱結構中的運用

導熱石墨片（如圖2）是一種新型散熱導熱材料，首先導熱石墨片的分子排列較為規(guī)則，所以可以實現(xiàn)在兩個方向上均勻散熱;其次導熱石墨片為片狀結構，因此可以很好的應用于電子器件元件的表面。當前在已有的、應用導熱石墨片的散熱解決方案中，由于導熱石墨片同時具備散熱性和隔熱性，所以成為了散熱材料中的最前沿的選擇。導熱石墨片可以大幅提高電子器件的散熱性能，即利用其良好的導熱、散熱性能解決各種電子器件元件的散熱難題，同時為各種理論上可行的散熱設計提供了材料支持。簡言之，導熱石墨片的出現(xiàn)及其應用方案能夠有效的解決各種電子器件的散熱難題，具有廣闊的應用前景。

結語

綜上可知，在優(yōu)化、完善電子器件的散熱結構時，首要考慮的是依據(jù)實際應用情況選取導熱性能高、較為經(jīng)濟并且可以廣泛應用的導熱材料，通常來說鋁合金是首選的導熱材料。少數(shù)情況下可以選擇銅作為導熱材料。其次需要綜合多領域學科知識例如熱力學理論等優(yōu)化散熱結構。最后可以依據(jù)實際情況及自身的一些條件選用前沿的技術、新型導熱材料等來提高電子器件散熱結構的散熱性能，從而使得電力設備在運轉過程中始終處于正常溫度范圍內(nèi)，最終實現(xiàn)穩(wěn)定、持續(xù)供電的目標。

參考文獻：

[1]劉曉琳，?譚春蘇，?沈順強，等.?電力電子器件常用散熱方式及實效探討[J].?科學與財富，?2020（3）：272.

[2]李廣義，張俊洪，高鍵鑫.?大功率電力電子器件散熱研究綜述[J].?兵器裝備工程學報，?2020，?268（11）：14-20.