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绝缘电缆现代功率模块及器件应用技术(7)
浏览: 发布日期:2017-09-04


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[b]8 功率模块的冷却 8.1 冷却装置、冷却介质和冷却方法 [/b] 功率模块的通态损耗、开关损耗、截止损耗等所产生的温升须由散热器来降低。散热器的作用是增加功率模块的传热和辐射面积、扩张热流以及缓冲传热过程。 基于模块的绝缘性能, 一个系统的所有功率模块都可安装在一块共同的散热器上,该散热器同时还可当作结构部件,实现其他的功能(外壳、底座等)。 散热器的散热过程为:通过直接传导或借助于传热介质将热量传递到冷却介质。 传热介质可以是空气、水或者(在极少数情况下)绝缘油,通过其自身的重力或通过风扇以及泵来实现循环传热过程。 冷却介质可以是自然或被强制流动的空气、水及其混合液。 下面将主要讨论自然空气冷却(自然对流)、强制空气冷却以及仅含一种冷却介质的水冷系统。其他更为复杂的冷却方式,象热管或蒸发冷却,一般来说需要针对具体的应用做特别的没计。另外,在功率模块中油冷也几乎很少被用到。 在材料费用和加工费用允许的情况下,散热器材料应该具有尽可能好的导热系数λ。因此,金属铝(纯铝λ=247W/m%26;#183;K)通常是优先被采用的材料。在要求特别高的场合有时也可以采用铜(λ=398W/m%26;#183;K)。 值得注意的是导热系数与制造工艺以及所采用的合金有很大的关系。在实际应用中,多数散热器的导热系数λ大致在150W/m%26;#183;K(铸造铝合金)和220W/m%26;#183;K(AIMgSi挤压成型)之间。 热量的扩散对散热器的散热效率有着可观的影响。因此,对散热器根部厚度的优化、翼片的数目、翼片的高度以及翼片的厚度之间比例的合适选取显得相当重要: 1)散热器的根部是用于安装功率模块的、不含分岔的平面区域。该处与模块底板之间的温度梯度相对较小,有着明显的热扩散作用; 2)对于空气冷却散热器来说,其大部分热量是通过翼片以辐射和传导的方式传递到周边环境的。而对于水冷散热器来说,这一作用或多或少地是由具有特定结构的水通道来实现的。 由 Rthha=△T/Ptot=1/(αA) (40) 可得到 Q=αA△T=Ptot 式中:Q为散发的热量; α为传导系数; A为传热面积; ΔT为与环境温度之间的温度差; Ptot为需要带走的损耗; Rthha为散热器的热阻。 如果采用较多的翼片,便可以增大传热面积,但前提是能够保证流体的顺畅流动,否则α会超比例下降。 从这一结论出发,自然冷却和强制冷却的优化条件便有所不同。 当功耗增加时,散热器温度增高,受热也就更加均匀。也就是说,有效热交换的面积在增加。 8.2 冷却装置的传热模型 在介绍功率模块的热性能时,等效热路中的散热器是由一个RC元件来描述的(Rthha,Zthha)。 然而,当功耗在t=0时刻从P=0跳跃到P=Pm时,散热器的动态热抗Zthha随时间t而变化的特性曲线显示出其具有多个时间常数。系统总热抗的特性曲线Zthha(t)可以通过将功率模块的热抗与模块一散热器的热抗相迭加而得到。 8.3 自然空冷(自然对流) 自然空冷多用于功耗低于50W的系统,以及不允许应用风扇或者


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