风冷散热设计及验算方案

风冷散热设计及验算方案一、散热器的选配1、选用散热器的依据电力半导体器件（以下简称器件）的耗散功率、热阻（结壳热阻与接触热阻之和）和冷却介质的入口温度等，是选用散热器的基本依据。器件被应用在各种各样的工况，在选用散热器时应该正确识别散热器、绝缘件和紧固件的型号和含义，了解不同散热器的散热能力和范围。通常，一种器件仅从参数看，可能有两、三种散热器都能满足要求，但应结合自己的应用情况，诸如：冷却、安装、通用互换和经济性来综合考虑选取一种最佳的散热器。2、散热器选用计算方法散热器的配置目的，是必须保证它能将元件的热损耗有效地传导至周围环境，并使其热源即结点的温度不超过，取环境温度，用公式表示为：‥…‥…‥…‥…①‥…‥…②其中：P，元件的损耗功率；Q，耗散功率，散热结构的散热能力；，元件工作结温，即元件允许的最高工作温度极限，取=125°C；，环境温度，水冷时规定为35°C，风冷时规定为40°C。R，热阻，热量在媒质之间传递时，单位功耗所产生的温升；‥…‥…③，结点至管壳的热阻，Rjc与元件的工艺水平和结构有很大关系由制造商给出，范围一般为0.8～2.0K/W；，管壳至散热器的热阻，与管壳和散热器之间的填隙，介质接触面的粗糙度平面度以及安装的压力等密切相关，影响接触热阻的因素较多，迄今没有一个普遍适用的经验公式加以归纳，因此工程设计中都是根据实验或参考实测数据来选择接触热阻，表1为某些典型接触面的接触热阻值；，散热器至空气的热阻，是散热器选择的重要参数，它与材质材料的形状和表面积体积以及空气流速等参量有关。综合①②③，得到：‥…‥…④参见（JB/T9684-2000电力半导体器件用散热器选用导则）根据④式计算的热阻值，如果选用标准散热器，则查询散热器标准（GB/T8446.1电力半导体器件用散热器），标准中热阻值与计算值相同，或小于又接近于计算值的散热器即为所选用的散热器；如果为非标准型散热器，需要厂家提供散热器的热阻，该热阻值应小于（并且比较接近）。3、肋片式散热器的热阻计算（参考：电子设备热设计及分析技术，余建祖等编，北京航空航天大学出版社）：肋片式散热器热阻计算公式为：其中：R，散热器换热热阻；，表面传热系数；带肋片壁面的总表面积，，为肋片表面积，未被肋片根部遮盖的基壁面积；，表面效率，有效传热面积与总传热面积之比，，（h为肋片高度，m为肋片材料和流体物性的函数），（为肋片材料的导热系数，肋片厚度）；肋片式散热器散热功率Q计算其中：，为散热器温度；，为环境温度。二、模块的损耗P1、IGBT模块损耗IGBT模块由IGBT部和并联二极管组成，它们各自发生的损耗合计即为IGBT模块整体发生的损耗。另外发生损耗的情况可分为稳态时和交换时。2、IGBT损耗计算（参考：变频器的热耗计算及散热分析.刘玉芬.程洪亮.优化设计高压变频器中IGBT模块的选择及计算分析.吴加林.变频器世界）在PWM工作方式下，一个IGBT模块的总损耗包括单个IGBT及其并联二极管的损耗之和。‥…‥…⑤；‥…‥…⑥；由式⑤、⑥、⑦得出：‥…‥…⑦其中：，单个IGBT的总损耗；，单个二极管的总损耗；，单个IGBT的通态损耗；，单个IGBT的开关损耗；，单个二极管的通态损耗；对于IGBT的通态损耗，‥…‥…⑧；对于IGBT的开关损耗，‥…‥…⑨；表1某些典型接触面的接触热阻值（参考：电子设备热设计及分析技术.余建祖.高等教育出版社）表面状况接触热阻×104/(m2·K/W)金属与金属干接触高3.55中（平均）2.58低0.90涂硅脂高2.32中（平均）1.29低0.48导热衬垫高1.10中（平均）0.65低0.32垫铟片(厚0.005mm)干接触高0.58中（平均）0.45低0.32垫云母片(厚0.02～0.03mm)干接触高11.29中（平均）7.74低3.87硅脂高6.45中（平均）3.87低1.94垫氧化铍(厚0.02～0.062mm)干接触2.0垫铟铂0.90灌环氧树脂0.71表2电子设备常用材料导热系数（参考：电子设备热设计，赵惇殳，电子工业出版社）材料名称导热系数W/(m·℃)材料名称导热系数W/(m·℃)铝216硅（纯）146铍177硅（掺杂到电阻率2..5×103Ω·cm98.4铍铜106.3黄铜（70%，30%锌）122氧化铝，矾土（99.5%）27.6铜394氧化铝，矾土（85%）11.8金291氧化铍（99.5%）197铁66.9氧化铍（97%）157柯伐合金16.5氧化铍（95%）118铅34.3氮化硼（热压）39.4镁157金刚石630钼130环氧树脂0.197梦乃儿合金19.7导热环氧树脂0.787镍90.6热沉混合物（金属氧化物负载环氧树脂）0.394银41732