電力電子器件散熱的基本原理

1、電力電子器件散熱的基本原理(1)熱傳導(dǎo)中的“熱阻”概念 散熱的基本原理一個(gè)工作中的電力電子器件由于種種原因本身要發(fā)熱。如何驅(qū)散掉這些熱呢?人們發(fā)明 了“散熱器”，實(shí)際上它是一種熱交換器。把器件的發(fā)熱面與散熱器平面緊貼一起，熱就從 器件傳到溫度較低的散熱器上，然后通過流動(dòng)的空氣、水或其他介質(zhì)吸收散熱器上的熱并把 它帶走。此時(shí)，我們可以看到存在著一條熱流通道，它是從熱源一一發(fā)熱的器件芯片開始到 帶走熱的介質(zhì)為止。如果在這條熱流通道中固體部分用的是高導(dǎo)熱系數(shù)材料、流體部分又是 熱容高的材料，那么熱就散的快，也就是熱流遇到的阻力小。這里提出了一個(gè)“熱阻”概念。 如用R表示：熱阻：R= (Td - Ta

2、)/PTd是發(fā)熱點(diǎn)d點(diǎn)溫度、Ta是周圍流動(dòng)介質(zhì)a點(diǎn)溫度、P是發(fā)熱點(diǎn)的發(fā)熱功率。在此， 熱流是由d點(diǎn)向a點(diǎn)流動(dòng)，Td Ta，此時(shí)R即為d點(diǎn)到a點(diǎn)熱阻。在電力電子器件中，設(shè)芯片溫度為：Tj、流動(dòng)介質(zhì)溫度為Ta熱阻：Rja = (Tj - Ta)/P當(dāng)Ta為一定，發(fā)熱功率P恒定時(shí)，熱阻Rja越小，芯片溫度Tj也越小。Rj-a由三部分熱阻疊加。i，芯片到器件外殼，熱阻為Rjc;ii，由器件外殼到散熱器， 熱阻為Rcs;iii，散熱器到周圍介質(zhì)，熱阻為RsaRja = Rjc + Rcs + Rsa第一項(xiàng)由器件制造者設(shè)計(jì)決定，第二項(xiàng)很小，裝置設(shè)計(jì)者要考慮的就是第三項(xiàng)：Rsa為敘述方便，先從強(qiáng)迫空氣冷卻(

3、風(fēng)冷)說起。在風(fēng)冷條件下Rsa由以下幾個(gè)因素決定：i，散熱器材質(zhì)的熱導(dǎo)率越大越好；ii，散熱器與空氣接觸面面積越大越好；i，風(fēng)速大比小好；但要注意的是:風(fēng)機(jī)吹出的風(fēng)是流體，同樣遵循流體運(yùn)動(dòng)原理。即前方阻力小風(fēng)速就大， 流量增大;前方阻力大，風(fēng)速就小，流量減小，有如并聯(lián)電路的歐姆定律。所以不能用減小 散熱片的間距多加翅片，來單純達(dá)到加大散熱器的表面積的效果。因?yàn)殚g距一小，空氣阻力 增加，風(fēng)在間隙處很難進(jìn)去。此時(shí)，如在散熱器周邊沒有阻擋物，大量的風(fēng)就從周邊通過。 間隙內(nèi)的風(fēng)速很小，風(fēng)量也不大，達(dá)不到冷卻的目的。電力電子器件散熱的基本原理(2)風(fēng)冷散熱器選用基礎(chǔ)電力電子器件散熱的基本原理(1)中提出

4、在風(fēng)冷條件下決定Rsa的三個(gè)因素只是定性分析。 實(shí)際使用中并不是“越大越好”，而是根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和合理選用，否則會(huì)脫離實(shí)際，成 本也會(huì)因此上升或體積變得很大。為此，散熱器的選擇可按以下步驟進(jìn)行：1，Tj，即器件芯片溫度。每一種電力電子器件的國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)都有明確規(guī)定。如晶閘 管Tj的允許最高溫度為125C，考慮到設(shè)計(jì)余量，按85%取，即107C。流動(dòng)介質(zhì)的溫度(環(huán) 境溫度)Ta通常取40C。它們之間溫差(又稱芯片結(jié)溫升)： Tja = Tj - Ta = 107C - 40 C = 67 C2，Rjc由電力電子器件制造單位在該器件的技術(shù)參數(shù)表中給出，由它算出芯片與器件 外殼的溫差： Tjc =

5、 Tj - Tc = P X Rjc, 一般小于15C。3, Rcs常稱器件與散熱器的接觸熱阻。因器件與散熱器固定的平面不平而引起，采取 涂抹導(dǎo)熱硅脂填平不平處后，此熱阻值會(huì)大幅下降。兩者之間的溫液Tcs = Tc - Ts一般 小于5C。Tja = Tjc + Tcs + TsaTsa = (Ts - Ta) = Tja -( Tjc + Tcs)= 67 C -(15C+5C)= 47 C通過公式Rsa = (Ts - Ta)/P求得所需散熱器的熱阻值。也就是說，所選散熱器的熱阻 等于或小于這個(gè)熱阻值就行。:芯片溫度A外殼溫度S愁器溫J度T電為電子器件-芯片溫度Tj外無溫度叱 散熱器溫度玷

6、環(huán)境溫度以圖一)電力電子器件與散熱器熱阻示意圖部蜀634星澄您o 1 2 s i ft J（圖二8散熱器熱阻特性餡線每個(gè)散熱器都有它的特性曲線。圖二即是擠壓鋁型材散熱器DXC-548的特性曲線。曲線 圖表示了散熱器長度、風(fēng)速與熱組的關(guān)系。從圖可看到：1，風(fēng)速超過6米/秒，熱阻R下降 不明顯，風(fēng)速再大意義不大;2,長度增加一倍熱阻R下降不到一倍，在某范圍作用較大（如 圖中50mm到200mm），到一定長度后，再加長意義不大（如圖中300mm到400mm）。況且加長 后對(duì)風(fēng)的阻力加大，要保持原有風(fēng)速就要加大風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓。此時(shí)要選擇更大的散熱器（端面 周邊邊長更長）才能達(dá)到所需的熱阻值。如果上面公式計(jì)

7、算得出要求用熱阻R = 0.1C/瓦的散熱器，那么從圖中可見有兩種選 擇，即曲線圖中的M點(diǎn)和N點(diǎn)，就是200mm長，風(fēng)速2.5米/秒或100mm長，風(fēng)速5.5米/ 秒，一般設(shè)計(jì)時(shí)可在這范圍內(nèi)選擇，比如150mm長，風(fēng)速4米/秒以上，這樣是比較經(jīng)濟(jì)的。特性曲線從哪來呢?有兩種來源：散熱器制造廠提供，他們有專門試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際測(cè)試畫出 曲線如河北燕郊亞泰電子技術(shù)有限公司。也可用公式計(jì)算（見“電力電子“雜志2009年第六 期“大功率半導(dǎo)體器件用散熱器風(fēng)冷熱阻計(jì)算”）。必須說明，計(jì)算是科研、設(shè)計(jì)的一條腿， 另一條腿科學(xué)試驗(yàn)是十分重要的。前者提供了一個(gè)選擇范圍的依據(jù)，后者可以對(duì)前者進(jìn)行驗(yàn) 證以便進(jìn)行較為準(zhǔn)確的

8、修正。電力電子器件散熱的基本原理（3）冷散熱器的結(jié)構(gòu)電力電子用風(fēng)冷（或自冷）散熱器由兩部分組成：固定器件的導(dǎo)熱平面（又稱底板）和翅片。使 用材料主要是鋁和銅以及它們的合金。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)花樣很多，主要有下面四種，簡(jiǎn)單介紹如下：1、擠壓鋁型材式（見圖一）。采用建筑用鋁型材加工工藝，即把合金鋁錠用熱擠壓辦法通過模具擠壓加工成型。其優(yōu) 點(diǎn)是加工后材質(zhì)均勻致密，外形尺寸一致。為提高散熱效率可通過氧化、著色工藝增加熱輻 射，同時(shí)提高表面抗腐蝕能力。缺點(diǎn)是受加工工藝限制，散熱器總寬和翅片間距、厚度、片 高等均受到限制。由于材料不存在拼接，散熱器內(nèi)部導(dǎo)熱均勻、熱導(dǎo)率高。同樣尺寸、同樣材質(zhì)、同樣外 形的散熱器相比，

9、其熱阻最小。此外受工藝限制，不能加工純鋁，故此種散熱器均為合金鋁。2、半擠壓鋁型材、半插片式（見圖二）.由于擠壓鋁型材工藝限制，片間距不能做得太窄，一般在10mm左右。如要做小，則擠壓部分片距兩倍于設(shè)計(jì)尺寸，然后用插片方法再把一片鋁片插在其間，并用壓力機(jī)壓緊固 定。因?yàn)橐话胱笥页崞遣迳系模M管壓得很緊，鋁片與底板還不是一體的，所以導(dǎo)熱系數(shù) 不如一體的。相比之下，熱阻比純擠壓鋁型材偏大。3、翅片拼接式（見圖三）先做翅片，然后把翅片根部疊在一起，由于根部有咬合缺口，經(jīng)壓力加工壓緊，咬合缺 口互相緊密咬合成為一體。這種工藝使用銅或鋁材料，可做成任意寬度、較高翅片的散熱器。問題是片與片之間是 分體的

10、，導(dǎo)熱阻力大。在散熱器底板平面上，裝有電力電子器件的覆蓋部分導(dǎo)熱較好，覆蓋 以外部分需要通過片與片接觸部分把熱導(dǎo)出來，此時(shí)的接觸部分的較大的接觸熱阻會(huì)使導(dǎo)熱 系數(shù)大幅降低。4、插片式（見圖四）它是由底板和若干翅片組成。底板一側(cè)先銑上插片槽，把翅片一端用鑲嵌方法插入插片 槽內(nèi)并壓緊。可用銅或鋁材料，優(yōu)點(diǎn)是散熱器設(shè)計(jì)多大都行，不受尺寸限制，。此種散熱器 只有鋁片端部很少部分插入底板，接觸導(dǎo)熱面積有限，如加工時(shí)插得不緊，熱阻就會(huì)偏大。 另外當(dāng)設(shè)計(jì)翅片數(shù)量較多時(shí)由于不能保證每次或每片鋁片插入加工條件一致，因此熱阻參數(shù) 一致性也差。IS-J半拼氏糧型材, 半播片.用壓方機(jī)把一竿 耘片插入型也總 內(nèi)T榜袖

11、面的熟由一塊完箜的 桐忖制成.無 任伺排條謾， 導(dǎo)愚由豺成職定【圖三】翅片拼接場(chǎng)片間有戢段槽，用U UU UU UU UUUUU J JUUJUUUIUUUU 接齦面間導(dǎo)墊不也1圖四】指片式所有蟠片均用壓力虱伍底板與翅片電力電子器件散熱的基本原理（4）空氣冷卻散熱器的布局設(shè)計(jì)空氣冷卻散熱器的冷卻方式包括空氣自然對(duì)流冷卻（常稱自冷）和強(qiáng)迫空氣冷卻（常稱風(fēng)冷） 兩種。從基本原理（2）風(fēng)冷散熱器選用基礎(chǔ)”帖子中可得出兩個(gè)結(jié)論：1，風(fēng)速大于6米/秒后，熱阻隨風(fēng)速增大下降極少，一般設(shè)計(jì)最大風(fēng)速定于6米/秒即 可。2,散熱器長超過400毫米后，再加長于降低熱阻貢獻(xiàn)極微。一般設(shè)計(jì)長度不宜超過400 毫米。從

12、另一角度講，散熱器越長，風(fēng)阻越大，對(duì)風(fēng)機(jī)要求越高。所以過長的散熱器設(shè)計(jì)是 不合理的。總之，風(fēng)速與長度對(duì)散熱的貢獻(xiàn)不是線性的、不成正比。根據(jù)上述第2點(diǎn)結(jié)論，在電力電子設(shè)備中散熱器的使用與它的布局中有幾點(diǎn)值得注意的 地方：1，自冷條件下，散熱器靠熱空氣上升、冷空氣下降的自然對(duì)流來散熱。所以散熱器的 翅片要順著對(duì)流方向安排，即上下安排，不要橫著。風(fēng)冷條件下的風(fēng)冷系統(tǒng)包括：散熱器、風(fēng)機(jī)和風(fēng)道。三者缺一不可。所謂風(fēng)道，即 是迫使空氣必須在“風(fēng)道”這條通道里通過，即便前面有散熱器，有阻力。流動(dòng)的空氣有如 電流，哪兒阻力小就往哪兒走。如沒有“風(fēng)道”風(fēng)就會(huì)繞過阻力大的散熱器。此時(shí)，散熱器 的翅片間隔中就很難進(jìn)

13、風(fēng)。風(fēng)冷條件下，空氣靠風(fēng)機(jī)推動(dòng)，散熱器橫放豎放都行，只要翅片 方向順著風(fēng)道中的風(fēng)向就行?，F(xiàn)今模塊式電力電子器件大量應(yīng)用，如大功率IGBT、整流管、晶閘管等。它們的導(dǎo) 熱底板是絕緣的、不導(dǎo)電。有這樣的設(shè)計(jì)，即把一臺(tái)設(shè)備中全部模塊式電力電子器件安裝在 一塊散熱器上，這樣安排實(shí)為不妥。最大的問題是結(jié)構(gòu)不合理、空間利用率低，散熱器長度 過長，隨之帶來的是拆裝困難、維修不便。應(yīng)該推薦的比較先進(jìn)的是電氣設(shè)備組件化或模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。即把整機(jī)所有部件按功能 分成若干個(gè)“功能單元”如變頻器中把整流橋或逆變橋中的一個(gè)橋臂或兩個(gè)橋臂串聯(lián)加上 保護(hù)器件組成一個(gè)組件（模塊）（見圖一）。高壓變頻器是由若干個(gè)低壓變頻器輸出

14、串聯(lián)而成， 每一個(gè)低壓變頻器就可制成一個(gè)功能獨(dú)立的“模塊”（見圖二）。一個(gè)大電流輸出的三相全波 整流橋可以分成“送風(fēng)單元（模塊）”、“主回路單元（模塊）”、出風(fēng)風(fēng)道（風(fēng)道內(nèi)安裝阻容 保護(hù)的大電阻）三大部分（見圖三）。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)柜空間利用十分緊湊，每個(gè)模塊或組件拆 裝又十分方便。在這種結(jié)構(gòu)中，電力電子器件分別安排在若干個(gè)散熱器上，散熱器的長度一 般較短，風(fēng)速容易提高，散熱效率也高。在實(shí)際設(shè)計(jì)中由于某種原因，散熱器必須做得很大或較長。此時(shí)也有辦法提高散熱 效率。此法是：在翅片長度方向，橫切出寬窄2到4毫米的若干個(gè)缺口，一般缺口位置相隔 150到200毫米（見圖四），均分，且不能影響其他功能。缺口

15、要切到底板為止。保證底板仍 相連，是完整的一塊，不影響上面電力電子器件的安裝。其目的是把一塊較長的散熱器改成 底板還連在一起的若干塊較短的散熱器，使散熱器在保持原型情況下明顯地減小它的熱阻。這次只講散熱器的布局。文中提到的風(fēng)機(jī)和風(fēng)道將另文描述。圈一】阿爾斯通風(fēng)力發(fā)電主控柜中主回路由嬉建M模塊繾件蛔成2套三相棒，一甚在電網(wǎng)側(cè)一套在發(fā)電機(jī)帆 每套組件（虛線內(nèi)）包括散熱器.哄IgbM睹干電容.電阻 驅(qū)珀板.實(shí)質(zhì)上是2飾臂的策聯(lián).569【圖二】由8個(gè)模塊式低 壓逆變器輸出串 聯(lián)后組成一個(gè)高 壓逆變器，【圖三】AB8晶閘管三相勵(lì)磁電源由3個(gè)模塊組成電力電子器件散熱的基本原理(5) 談風(fēng)冷散熱用的風(fēng)機(jī)至今

16、為止使用風(fēng)機(jī)最多的是建筑行業(yè)的暖風(fēng)空調(diào)專業(yè)，打開風(fēng)機(jī)樣本看到的都是暖風(fēng)空 調(diào)專業(yè)的專用術(shù)語，因?yàn)榇诵袠I(yè)是風(fēng)機(jī)的發(fā)源地。其次是用在各種內(nèi)燃機(jī)的水箱冷卻。可以 這么說，至今還沒有為電器柜冷卻專門設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)。因此在這種“代用”r情況下要選用電器 柜冷卻合適的風(fēng)機(jī)不是一件容易的事。在使用上兩者有什么異同呢？暖風(fēng)空調(diào)用風(fēng)機(jī)是為了把已加溫或已冷卻的加工后的空氣送到建筑內(nèi)所需要的房間，是 一種熱量的移動(dòng)。中央空調(diào)是一個(gè)很大的系統(tǒng)，空氣是介質(zhì)，風(fēng)機(jī)就是空氣移動(dòng)的動(dòng)力。電 器柜的風(fēng)機(jī)是直接用來冷卻機(jī)柜內(nèi)發(fā)熱的電器部件，冷卻的關(guān)鍵在于空氣與被冷卻部件間的 熱交換。當(dāng)然空氣還是介質(zhì)(只是沒有經(jīng)過加工)，風(fēng)機(jī)還是動(dòng)力

17、。前者移動(dòng)的空氣是在風(fēng)管 中流動(dòng)的，要求風(fēng)管內(nèi)部不能有任何阻擋物，甚至要求風(fēng)管內(nèi)側(cè)四壁摩擦阻力越小越好。一 旦空氣從出風(fēng)口進(jìn)入房間，更沒有什么阻力了。而電器柜內(nèi)滿是被冷卻的電氣部件，阻礙空 氣流動(dòng)，尤其是散熱片間距狹窄，散熱片流阻抵消了風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，使風(fēng)機(jī)風(fēng)量相應(yīng)減少。暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)很大，一個(gè)系統(tǒng)使用幾十臺(tái)風(fēng)機(jī)是常事，有并聯(lián)也有串聯(lián)。講究的是風(fēng)機(jī) 間的協(xié)調(diào)，盡可能不發(fā)生相互間的擾動(dòng)。系統(tǒng)的每一個(gè)出風(fēng)口風(fēng)量都有要求?？照{(diào)系統(tǒng)會(huì)按 照設(shè)定根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)整風(fēng)速。而電器機(jī)柜雖小，講究的也是不允許互相干擾，安排上多數(shù) 是一臺(tái)風(fēng)機(jī)一個(gè)冷卻風(fēng)道。對(duì)風(fēng)速要求在客觀條件一定情況下越大越好，沒有限制。事實(shí)是 由于電器

18、柜空間狹小，不易選到合適的風(fēng)機(jī)，風(fēng)速很難達(dá)到6米/秒。電力電子行業(yè)電器柜所用的的風(fēng)機(jī)一般參數(shù)為：風(fēng)量（最大）：5000立米/小時(shí)；風(fēng)壓（最大）：1000Pa;風(fēng)葉直徑（最大）：0500市場(chǎng)上目前能購到的風(fēng)機(jī)有如下幾種結(jié)構(gòu)：1，離心式風(fēng)機(jī)（無蝸殼）2，離心式風(fēng)機(jī)（有蝸殼）3,軸流風(fēng)機(jī)離心式風(fēng)機(jī)葉輪又分前彎式葉片和后彎式葉片兩種;有蝸殼、外轉(zhuǎn)子電機(jī)離心式風(fēng)機(jī) 還分單側(cè)進(jìn)風(fēng)和雙側(cè)進(jìn)風(fēng)兩種。渦殼作用是匯集葉輪出口氣流并引向風(fēng)機(jī)出口，與此同時(shí)將氣流的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓 能。渦殼外形以對(duì)數(shù)螺旋線或阿基米德螺旋線最佳，具有最高效率。渦殼軸面為矩形，并且 寬度不變。渦殼出口處氣流速度很大，為了有效利用氣流的能

19、量，在渦殼出口裝擴(kuò)壓器，由于渦殼 出口氣流受慣性作用向葉輪旋轉(zhuǎn)方向偏斜，因此擴(kuò)壓器一般作成沿偏斜方向擴(kuò)大，其擴(kuò)散角 通常為68離心風(fēng)機(jī)渦殼出口部位有舌狀結(jié)構(gòu)，一般稱為渦舌。渦舌可以防止氣體在機(jī)殼內(nèi)循環(huán)流 動(dòng)。一般有渦舌的風(fēng)機(jī)效率，壓力均高于無舌的風(fēng)機(jī)。軸流風(fēng)機(jī)分葉片安裝角度可調(diào)和不可調(diào)兩種。軸流式安裝方便、體積小，但風(fēng)壓低，約在100 Pa - 200 Pa之間，而離心風(fēng)機(jī)最高風(fēng)壓 可達(dá)到700 Pa- 1000 Pa。在串聯(lián)風(fēng)道上用較為合適。但離心風(fēng)機(jī)安裝要求高、占體積大、 噪音大、價(jià)格高。風(fēng)機(jī)的其他指標(biāo)為電機(jī)功率、風(fēng)機(jī)能承受的環(huán)境溫度和風(fēng)機(jī)工作時(shí)的噪音。風(fēng)機(jī)的功能是給功率半導(dǎo)體器件散熱器送

20、去流動(dòng)的空氣，經(jīng)過熱交換把散熱器的熱量帶 走。風(fēng)機(jī)的主要特性可由特性曲線表示出來。如圖一所示，所表示的是風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓一風(fēng)量曲 線。風(fēng)機(jī)最大額定風(fēng)量是指前方無任何阻擋物時(shí)的風(fēng)量。如果吹風(fēng)前方存在阻力，風(fēng)在流過 阻擋物例如散熱器時(shí)，流阻就會(huì)抵消與流阻相當(dāng)?shù)娘L(fēng)壓，使風(fēng)流量降低。假設(shè)風(fēng)機(jī)的最大風(fēng) 壓是120 Pa，散熱器在某風(fēng)速時(shí)的流阻是70 Pa，兩者相抵風(fēng)壓剩余50 Pa，此時(shí)與曲線 的相交點(diǎn)A所對(duì)應(yīng)的風(fēng)量即為實(shí)際通過的風(fēng)量。從圖上查的為1650 m3/小時(shí)，已不是風(fēng)機(jī) 的最大風(fēng)量2800 m3/小時(shí)。應(yīng)該說明，這里的“風(fēng)速”指的是“平均風(fēng)速”，是國標(biāo)規(guī)定的“測(cè)試位置”測(cè)得的風(fēng) 速。而不是從散熱片齒

21、間測(cè)得的風(fēng)速（見圖二）。壓母時(shí)D 1Q mffl 2 mm用二風(fēng)冷散熱卷的擲it系嬉電力電子器件散熱的基本原理(6)電力電子裝置中風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考慮電力電子器件散熱的基本原理(4)已提到電力電子裝置中的風(fēng)冷系統(tǒng)包括：散熱器、風(fēng) 機(jī)和風(fēng)道，三者缺一不可。1，風(fēng)道的作用風(fēng)道是一條風(fēng)機(jī)作用下空氣流動(dòng)的通道。其作用是迫使空氣必須在“風(fēng)道”這條通道里 通過，即便前面有散熱器，有阻力。如沒有“風(fēng)道”，風(fēng)就會(huì)繞過阻力大的散熱器。此時(shí)， 散熱器的翅片間隔中就很難進(jìn)風(fēng)。而在沒有阻力的地方會(huì)合“短路”。因此在大功率半導(dǎo)體器件冷卻系統(tǒng)中風(fēng)道是規(guī)范空氣流動(dòng)的一個(gè)十分重要措施。晶閘管 和散熱器安裝在風(fēng)道內(nèi)而風(fēng)機(jī)又強(qiáng)迫空氣

22、在風(fēng)道內(nèi)通過。其功能主要是：把空氣集中在風(fēng)道內(nèi)通過，盡可能用全部流動(dòng)的空氣參與散熱器的冷卻。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量在一定的流阻情況下是一定的。風(fēng)道的截面積即為空氣流過的截面積， 則（3）如果風(fēng)道緊貼著散熱器的邊緣去規(guī)范空氣的流動(dòng)，不留或極少留孔隙（所謂的風(fēng)短路 點(diǎn)），則流阻很大，空氣流量下降，風(fēng)速下降，散熱效果受到極大影響，散熱器溫升高。從 實(shí)踐來看，在散熱器之間留有適當(dāng)孔隙，使孔隙處達(dá)到較大風(fēng)速。這兒又是翅片的邊緣部分， 熱交換充分，溫升較低，相對(duì)來說具有較好的散熱效果。2,電力電子裝置中大功率半導(dǎo)體器件風(fēng)冷散熱系統(tǒng)在電力電子電器柜中大功率半導(dǎo)體器件風(fēng)冷散熱系統(tǒng)往往自成一個(gè)單元，稱為晶閘管 （或Igbt

23、）散熱單元。主要包括帶有散熱器的晶閘管（Igbt）、風(fēng)機(jī)、風(fēng)道三個(gè)部分。2.1風(fēng)冷散熱單元結(jié)構(gòu)一般說來用風(fēng)冷來冷卻大功率半導(dǎo)體器件散熱器的結(jié)構(gòu)有：散熱器串聯(lián)吹風(fēng)式（圖一）、 散熱器串聯(lián)抽風(fēng)式（圖二）、散熱器并聯(lián)吹風(fēng)式（圖三）、散熱器并聯(lián)抽風(fēng)式（圖四）四種。（1）散熱器串聯(lián)吹風(fēng)式（圖一）從圖可看到每個(gè)風(fēng)道三個(gè)散熱器串聯(lián)安排。下面兩個(gè)風(fēng)機(jī)向上吹晶閘管散熱器，這是因 為總體結(jié)構(gòu)要求導(dǎo)電銅排在上方引出。這兩個(gè)風(fēng)機(jī)各有自己的風(fēng)道（上覆蓋有機(jī)玻璃），互不 干擾。圖一散熱器串聯(lián)吹風(fēng)式（2）散熱器串聯(lián)抽風(fēng)式（圖二）機(jī)柜內(nèi)晶閘管散熱器串聯(lián)，機(jī)柜頂部有兩臺(tái)離心風(fēng)機(jī)抽風(fēng)。抽風(fēng)式結(jié)構(gòu)利用負(fù)壓效應(yīng)， 要求風(fēng)道除進(jìn)風(fēng)口外

24、密封好，否則風(fēng)道內(nèi)很難形成足夠的負(fù)壓，影響冷卻效率。頂部的兩臺(tái) 離心風(fēng)機(jī)葉輪外一定要用板分隔開、處置好，否則葉輪抽出的高壓空氣會(huì)互相干擾，造成出 風(fēng)阻力。機(jī)柜頂部有兩臺(tái)Ji庶離心晚機(jī)川【網(wǎng)圖二散熱器串聯(lián)抽風(fēng)式（3）散熱器并聯(lián)吹風(fēng)式（圖三）此電器柜由底部的離心風(fēng)機(jī)向機(jī)柜前部供風(fēng)（只一臺(tái)工作）。前門關(guān)閉后（見圖三中圖） 前室形成高壓。高壓空氣從前室背部的晶閘管散熱器翅片中吹過，冷卻散熱器，到達(dá)后室（見 右邊側(cè)面圖），然后從長扁形后室風(fēng)道向上吹出。此時(shí)，盡管散熱器齒間距很窄，流阻很大， 由于選擇了離心風(fēng)機(jī)的高風(fēng)壓加上散熱器短且并聯(lián)安排，使風(fēng)速和風(fēng)量都達(dá)到了要求。圖三散熱器并聯(lián)吹風(fēng)式（4）散熱器并聯(lián)抽

25、風(fēng)式（圖四）本圖是風(fēng)力發(fā)電的變頻柜。一組Igbt器件散熱單元水平排開，由機(jī)柜后背的離心風(fēng)機(jī) 抽風(fēng)冷卻。由于散熱器上要安裝很多零件，散熱器長度達(dá)260m，設(shè)計(jì)者用風(fēng)壓較大的離心 風(fēng)機(jī)，且單個(gè)散熱器并聯(lián)的設(shè)計(jì)方案，滿足了風(fēng)速、風(fēng)量的需求。圖四散熱器并聯(lián)抽風(fēng)式由機(jī)柜背后風(fēng)機(jī)抽風(fēng)2.2結(jié)構(gòu)中風(fēng)機(jī)的安排風(fēng)機(jī)的并聯(lián)由于機(jī)柜尺寸的限制以及部件尺寸配合需要，為滿足風(fēng)量需要往往不可能采用一臺(tái)大直 徑風(fēng)機(jī)，代之于兩臺(tái)或多臺(tái)小直徑風(fēng)機(jī)的并聯(lián)。圖一、圖二都是風(fēng)機(jī)并聯(lián)結(jié)構(gòu)。如是抽風(fēng)型 而且風(fēng)機(jī)是同一型號(hào)，則在風(fēng)道中空氣相互干擾甚微。如是吹風(fēng)型，則兩臺(tái)風(fēng)機(jī)吹出的高壓 空氣會(huì)有較大的干擾，故圖一中把它們分成兩個(gè)風(fēng)道。風(fēng)機(jī)的

26、串聯(lián)在使用軸流風(fēng)機(jī)時(shí)，一臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓不夠，于是設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)放在風(fēng)道的兩端， 一吹一抽（一推一拉），想起到兩臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓加倍的效果。實(shí)際上不可能。它們疊加的風(fēng)壓比 一臺(tái)大些，到不了兩倍，是要打折扣的。風(fēng)機(jī)調(diào)速電力電子設(shè)備上使用的風(fēng)機(jī)基本上不存在調(diào)速問題?？傁ＭL(fēng)機(jī)發(fā)揮最大的效能。只有 試驗(yàn)設(shè)備上用的風(fēng)機(jī)才要求調(diào)速。電力電子器件散熱的基本原理（7）散熱計(jì)算的部分參考數(shù)據(jù)以下提供的數(shù)據(jù)對(duì)電力電子器件的應(yīng)用設(shè)計(jì)會(huì)有幫助，僅供參考。1,部分材料的熱參數(shù)表:項(xiàng)目Q溫度砂密度。比熱導(dǎo)熱率備注f符號(hào)qCpq虹口單也私公斤卜米由.p干卡 甲P公斤Cp小時(shí)米純鋁2聳2700c0.214175.6純鋁P100p

27、p1964純銅2CpB950+0.0915332,00 甲P純銅卜10%qq326,00q純鐵口20p7900+0.10部62.5 N 純鐵口10眼p58.0P碳鋼2S7830r0.1111 :46. lr :碳鋼口100p口44,64水口20?999.93-0,99830.514口在飽和狀態(tài)下2水44供99L06z0.9980pQ,540z在飽和狀態(tài)下水q9JU %0.9994p0 560*在飽和狀:態(tài)下q水r&山973E1X0230.57#在飽和狀態(tài)下#空氣pg1.1770.24020.02256 一在大氣壓力下#空氣戶7左0.穌S0.24 m0.0258&在大氣壓力32,部分單位間的換算表:1KJ （千焦）= 0.2388 Kc（千卡）早lKcal= 4. 1868 K1KJ（千焦）=2. 778Xl（