邢恒瑋

摘要

隨著電子集成技術(shù)的快速發(fā)展，電力電子器件不斷小型化和集成化，對(duì)散熱裝置的性能提出更高的要求。文中對(duì)電力電子器件常用的幾種散熱方式進(jìn)行了介紹，分析了不同散熱方式的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用效果，具有一定參考意義。

【關(guān)鍵詞】電力電子器件 散熱方式 效果

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件體積趨于微型化，系統(tǒng)復(fù)雜程度不斷提高，高熱密度不可避免。為了應(yīng)對(duì)電力電子器件內(nèi)部產(chǎn)生的高熱密度，各種散熱手段層出不窮，在眾多的散熱方式中，選擇合理、經(jīng)濟(jì)、可靠的散熱方式具有重要意義。

1 概述

近年來(lái)，電力電子集成技術(shù)發(fā)展迅速，使得電力電子器件的性能得到提升，維護(hù)難度降低，從而大大提高了電力電子器件的應(yīng)用范圍?，F(xiàn)階段，電力電子器件體積越來(lái)越小、功能不斷完善，對(duì)裝置的材料、制造工藝以及電子電路帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，裝置內(nèi)部產(chǎn)生的高熱密度制約了電力電子集成技術(shù)的發(fā)展。

隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電力電子器件的要求越來(lái)越高，電力電子器件不斷向集成化、小型化的方向發(fā)展，不僅要具有可靠性、靈活性、緊湊性和易維護(hù)的特點(diǎn)，還要具有高散熱效率，由此，對(duì)電力電子器件的散熱技術(shù)提出了新的更高的要求。

2 常用散熱方式及散熱效果分析

2.1 風(fēng)冷翅片散熱方式及效果

風(fēng)冷翅片散熱器組成分為翅片散熱器和風(fēng)扇兩部分，其中，翅片散熱器直接和熱源接觸，能夠?qū)嵩窗l(fā)出的熱量及時(shí)散出去。風(fēng)扇通過(guò)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)制造給散熱器強(qiáng)制對(duì)流冷卻降溫。風(fēng)冷翅片散熱器的散熱效果與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，對(duì)風(fēng)冷散熱器的研究目前主要集中在散熱器的結(jié)構(gòu)、材料及散熱特性上。風(fēng)冷翅片散熱器的風(fēng)扇也會(huì)影響散熱效果，當(dāng)風(fēng)扇風(fēng)速提高時(shí)，散熱效果就好，隨著風(fēng)速增大，流動(dòng)阻力也會(huì)相應(yīng)的增大，因此，風(fēng)速也不易過(guò)大，風(fēng)速超過(guò)一定數(shù)值后，不僅不能提高散熱效果，還會(huì)造成電能損耗。

風(fēng)冷翅片散熱方式具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，是應(yīng)用最為普遍的散熱方式，但是這種散熱方式散熱效果一般，不能將電子器件內(nèi)部溫度降至室溫以下，且風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的噪音，風(fēng)扇使用壽命有限。

2.2 水冷散熱方式及散熱效果

由于風(fēng)冷散熱能力有限，隨著電力電子器件中熱流密度升高，對(duì)散熱方式提出了更高要求，水冷散熱方式應(yīng)運(yùn)而生。研究表明，水強(qiáng)制對(duì)流的換熱系數(shù)是氣體強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)的百倍以上，采用水冷散熱方式能夠大大提高散熱效果。

水冷散熱裝置通常由散熱器、水管及水泵組成。散熱器有進(jìn)水口和出水口，在散熱器內(nèi)部設(shè)計(jì)了大量的水道，使其與熱源充分接觸，帶走更多的熱源，從而將水冷的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致。水冷散熱裝置散熱效果好，不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，但這種散熱裝置的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，使用成本高。散熱器中的水處于密閉狀態(tài)，容易出現(xiàn)變質(zhì)、結(jié)垢等現(xiàn)象，從而影響散熱效果。因此在使用過(guò)程中不能出現(xiàn)斷水或漏水的情況。此外，在冷卻過(guò)程中，水流會(huì)不斷流動(dòng)，可能會(huì)造成電子器件周?chē)艌?chǎng)變化，從而影響電子器件工作的穩(wěn)定性。

2.3 微通道冷卻散熱方式及效果

微通道冷卻技術(shù)是在高導(dǎo)熱率的材料上設(shè)計(jì)大量的微通道，微通道直徑可到微米級(jí)，導(dǎo)熱材料的底面與熱源接觸，將熱量通過(guò)微通道壁傳導(dǎo)到通道內(nèi)，之后通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流流體將熱量散出。

由于微通道直徑達(dá)到微米級(jí)，數(shù)量密集，流體與散熱器的接觸面積顯著增大，在微通道內(nèi)，液體受熱會(huì)處于一種高度不穩(wěn)定狀態(tài)，換熱能力大大增強(qiáng)，較空氣對(duì)流傳熱能力高出了2個(gè)數(shù)量級(jí)，散熱效果大大提升。這種新的散熱方式對(duì)微通道的加工要求比較嚴(yán)格，目前研究集中在微通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)上，如翅片長(zhǎng)度、翅片間距等，研究這些參數(shù)對(duì)換熱過(guò)程及流動(dòng)阻力的影響，達(dá)到提升散熱效果的目的。

微通道冷卻技術(shù)的微通道截面積小，通道壁升溫后，液體通過(guò)通道是會(huì)迅速升溫，由于升溫較大，會(huì)引起熱應(yīng)力過(guò)高或芯片熱電不匹配等問(wèn)題，影響了電力電子器件工作的穩(wěn)定性。通過(guò)增大流體流速可以達(dá)到降溫效果，但流體流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大噪音，通常流體流速不能過(guò)大，因此，不能從根本上解決升溫的問(wèn)題。雖然采用氣液相變能夠達(dá)到降溫的效果，但這種方式會(huì)使得散熱器結(jié)構(gòu)變得異常復(fù)雜。

2.4 半導(dǎo)體制冷散熱效果

半導(dǎo)體制冷的基本原理是利用珀耳貼效應(yīng)，該制冷裝置由半導(dǎo)體按特殊的結(jié)構(gòu)組成，達(dá)到制冷的效果。通常采用2中不同金屬導(dǎo)線(xiàn)組成封閉線(xiàn)路，接通電源后，制冷裝置冷端的熱量被轉(zhuǎn)移到熱端，使得冷端溫度降低，熱端溫度升高，于是一段吸熱，一端放熱，達(dá)到制冷的效果。

半導(dǎo)體制冷是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，其具有常規(guī)制冷技術(shù)不具備的優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)電力電子器件內(nèi)部高熱流密度的情況，將裝置內(nèi)部溫度降到低于室溫，由于其采用閉環(huán)溫控電路，對(duì)溫度控制精度較高。由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，工作穩(wěn)定無(wú)噪音，使用壽命長(zhǎng)。但是該制冷方式制冷效率較低，制冷溫差較小，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)半導(dǎo)體材料的研究，進(jìn)一步提升制冷效果。

2.5 熱管散熱方式

熱管的組成通常包括管殼、多孔毛細(xì)管芯及工作介質(zhì)。散熱過(guò)程中，工作介質(zhì)處于真空狀態(tài)，通過(guò)吸收蒸發(fā)段吸收的熱量后汽化，在壓差的作用下流向冷凝段，在冷凝段放出熱量凝結(jié)成液體，在多孔毛細(xì)管芯抽吸力作用下，凝結(jié)的液體從冷凝段回到蒸發(fā)段，吸收熱源產(chǎn)生的熱量，在壓差的作用下流向冷凝段，如此反復(fù)，達(dá)到持續(xù)散熱的效果。

熱管作為一種新的散熱方式，具有在較小溫差情況下傳遞較大熱量的優(yōu)點(diǎn)，具有很高的相對(duì)導(dǎo)熱率，能夠達(dá)到銅的上百倍。但是熱管具有傳熱極限，當(dāng)熱量超過(guò)熱管傳熱極限時(shí)，熱管內(nèi)工作介質(zhì)會(huì)被汽化，使得熱管內(nèi)循環(huán)中斷，熱管不能正常工作。因此，還需要加強(qiáng)對(duì)微型熱管的技術(shù)研究攻關(guān)，不斷提升熱管的散熱效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著電力電子器件不斷的小型化、集成化，對(duì)散熱裝置的散熱性能提出了更高的要求，推動(dòng)著冷卻技術(shù)不斷向前發(fā)展，冷卻方式也不斷推陳出新，每一種冷卻方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和使用范圍，要熟悉和掌握各種冷卻方式的特點(diǎn)，針對(duì)不同的電力電子器件，選擇合理、經(jīng)濟(jì)、可靠的散熱方式顯得尤為重要。

參考文獻(xiàn)

[1]陳治明.電力電子器件基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.