李廣義，張俊洪，高鍵鑫

(海軍工程大學(xué)， 武漢 430033)

高功率密度電力電子器件是電動汽車、風(fēng)力發(fā)電機、高鐵、電網(wǎng)等應(yīng)用的核心部件。當(dāng)前大功率電力電子器件正朝著高功率水平、高集成度的方向發(fā)展，因此散熱問題不可避免的受到關(guān)注。大功率半導(dǎo)體器件工作時所產(chǎn)生的熱量會引起芯片溫度的升高，若沒有合適的散熱措施，會導(dǎo)致芯片的工作溫度超過所允許的最高溫度，進(jìn)而引發(fā)器件性能的惡化甚至損壞[1]。已有研究表明，半導(dǎo)體芯片的溫度每升高10 ℃，芯片的可靠性就會降低一半，器件的工作溫度越高，器件的生命周期越短，因此降低器件溫度是延長其生命周期的有效方法[2-3]。

現(xiàn)階段，已有較多針對各類電力電子器件和設(shè)備的熱設(shè)計、散熱優(yōu)化等方面的研究。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，對現(xiàn)有研究內(nèi)容進(jìn)行了分析整理，為后期開展各類器件和設(shè)備的散熱研究提供參考。

1 溫度對電力電子器件和設(shè)備的影響

1.1 溫度對電力電子器件壽命的影響

溫度對壽命的影響主要體現(xiàn)在兩方面：一是芯片的熱失效；二是應(yīng)力損壞[4]。常見的硅芯片的安全工作溫度一般為-40～50 ℃，在安全工作溫度范圍內(nèi)器件可正常工作，當(dāng)結(jié)溫超過安全工作溫度時，會引起芯片的熱失效，硅芯片的最高允許結(jié)溫一般為175 ℃[5]；另一方面，由于器件內(nèi)各材料膨脹系數(shù)的差異，過高的結(jié)溫會引起芯片內(nèi)熱應(yīng)力增大，進(jìn)而引起芯片內(nèi)焊料彎曲、鍵合絲脫落等機械損傷[5]。陶鑫等[6]在研究中指出對于引線框架上倒裝芯片，因封裝中銅引線框架和硅芯片的熱膨脹系數(shù)差異大,使得熱載荷作用下的熱應(yīng)力會引起與焊點相連的芯片表面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞；向語嫣[7]也在文章中指出半導(dǎo)體器件封裝時采用的傳統(tǒng)回流焊互連技術(shù)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會在高溫下進(jìn)一步加劇，最終導(dǎo)致芯片和基板焊料層的脆性斷裂。此外，過高的結(jié)溫還會導(dǎo)致芯片的熱擊穿，甚至是芯片的熱熔化。這些失效都是不可恢復(fù)性失效，所以高溫對器件的損害是致命的。

1.2 溫度對電力電子器件參數(shù)的影響

電力電子器件本身的各項參數(shù)對溫度變化非常敏感。其通態(tài)電阻、正向壓降、閾值電壓、導(dǎo)通電流等參數(shù)均會隨溫度的變化而變化[8-9]。如功率MOSFET的通態(tài)電阻隨結(jié)溫的升高近似線性增大，因此器件的同態(tài)損耗也將增大，導(dǎo)致器件產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)一步使結(jié)溫升高，從而造成惡性循環(huán)。對于IGBT而言，已有相關(guān)研究表明其關(guān)斷延遲時間會隨器件工作結(jié)溫的升高而增加[10]。對熱敏參數(shù)的合理利用，可以作為器件結(jié)溫的表征參數(shù)[11-13]；而熱敏參數(shù)的失控則會對器件造成嚴(yán)重?fù)p壞，并且這由熱敏參數(shù)造成的損壞往往會隨溫度的升高進(jìn)一步惡化。

1.3 溫度對設(shè)備體積、重量的影響

針對電力電子設(shè)備的熱設(shè)計主要依靠工程人員的經(jīng)驗而缺乏系統(tǒng)的熱設(shè)計理論。而這種粗略的散熱設(shè)計會使整個設(shè)備散熱性能過于冗余，在未經(jīng)優(yōu)化改進(jìn)前，往往會造成設(shè)備整體重量及體積過大、散熱效率低下等[6]。此外，設(shè)備散熱系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化由于缺乏系統(tǒng)的理論及方法支持，主要依靠反復(fù)的散熱實驗，不僅效率低下，而且浪費資源。由于工程人員對設(shè)備散熱設(shè)計的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電氣設(shè)計，不合理的散熱系統(tǒng)不僅會對設(shè)備整體的體積、重量有影響，也會制約設(shè)備其他器件的布局和安裝空間等。相反，合理的散熱設(shè)計則能顯著提高設(shè)備的熱可靠性，并且能夠合理利用設(shè)備空間及布局，便于設(shè)備的輕型化。

2 電力電子設(shè)備熱設(shè)計特點

2.1 發(fā)熱集中、散熱面積有限

電力電子器件作為電力電子設(shè)備的核心組件，其工作時會不可避免的產(chǎn)生各種損耗，包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)斷損耗等，引起器件發(fā)熱，如不及時將器件產(chǎn)生的熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中，過高的運行溫度會對器件正常工作和設(shè)備的可靠運行造成嚴(yán)重影響。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，電力電子器件的功率等級不斷提高，同時設(shè)備向著小型化、緊湊化的方向發(fā)展，使得電力電子器件熱量集中、散熱面積小的特點日益突出，造成了器件的面熱流密度不斷增大，在大功率應(yīng)用場合往往需要借助加裝額外散熱器來實現(xiàn)設(shè)備的可靠運行[14]。此外，隨著SiC等新材料在電力電子器件中的應(yīng)用，雖然SiC芯片損耗有所降低[15]，但由于芯片尺寸減小，導(dǎo)致局部熱流密度更高，對散熱要求反而更高。

2.2 應(yīng)用場景多、環(huán)境復(fù)雜多變

電力電子器件的飛速發(fā)展使其應(yīng)用場景在不斷擴展：電動汽車、風(fēng)力發(fā)電機、高鐵、電網(wǎng)、航空航天等，使用環(huán)境復(fù)雜多變：設(shè)備往往要面臨高溫、高濕、高鹽、振動甚至真空等各式各樣的外在環(huán)境，使設(shè)備及其內(nèi)部的元器件經(jīng)受各類考驗，同時，對設(shè)備的散熱系統(tǒng)也提出了較高要求。因此需要考慮不同環(huán)境參數(shù)對器件熱設(shè)計的影響。徐殿國等[16]分析了在極限溫度下電力電子技術(shù)的發(fā)展需求，指出在航空航天等領(lǐng)域極限高溫和低溫環(huán)境是電力電子器件不可避免要面臨的，因此在極端環(huán)境下器件的性能研究至關(guān)重要；Xu等[17]考慮煤礦環(huán)境高溫高濕的特點，分析了礦用電機功率變換器在潮濕環(huán)境下的溫升特性，通過仿真和實驗研究發(fā)現(xiàn)在相同環(huán)境溫度下，隨著環(huán)境相對濕度的增加，功率變換器的最高溫升有所下降，對潮濕環(huán)境下的發(fā)熱規(guī)律有了初步認(rèn)識。Pedroza等[18]研究了太空真空環(huán)境對激光二極管機械和熱性能的影響，通過針對性的封裝優(yōu)化，使其達(dá)到高功率水平的應(yīng)用。由于應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，在電力電子設(shè)備的設(shè)計中，不僅要考慮環(huán)境對內(nèi)部元器件的影響，也要考慮到設(shè)備熱設(shè)計的特殊性。針對不同的環(huán)境特點，優(yōu)化散熱方式，同時考慮環(huán)境對散熱系統(tǒng)的影響，提高散熱系統(tǒng)的散熱效率和可靠性。

2.3 涉及多物理場耦合研究

電力電子設(shè)備的熱設(shè)計不僅僅只涉及傳熱學(xué)領(lǐng)域，如圖1所示在采用熱電模擬法對典型電力電子器件傳熱路徑分析中，為達(dá)到良好的散熱效果并且兼顧設(shè)備的可靠性、輕量化及小型化要求，需要綜合考慮溫度場、應(yīng)力場和流場的耦合問題。Kong[19]充分考慮了溫度場、電場和力場之間的耦合作用，對集成電路中金屬鍵合線在電磁脈沖下的電熱特性與機械特性展開研究，揭示了不同電磁脈沖波形對金屬鍵合線的熱-機械響應(yīng)的影響；唐柳青[20]在對LED的散熱優(yōu)化中針對現(xiàn)有研究的不足，同樣從多場耦合傳熱角度完成了散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，提高了散熱效果。在由上述分析可知，電力電子設(shè)備的熱設(shè)計是一個涉及機械、電子、傳熱學(xué)和流體力學(xué)等多個學(xué)科門類的研究，因此需要考慮電力電子設(shè)備的機-電-熱一體化設(shè)計，并且著重研究電力電子器件的電-熱-力多物理場的耦合作用問題[19,21]。

圖1 電力電子器件傳熱路徑的多場耦合分析框圖

3 常見散熱技術(shù)

電力電子器件熱量傳輸?shù)倪^程中包含了熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種方式[22]，其中從芯片到散熱器的熱傳導(dǎo)以及從散熱器到周圍環(huán)境的熱對流為主要的熱量傳輸方式。因此電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計主要從這兩方面入手，常見的散熱方式按其從散熱器帶走熱量的方式不同可分為主動散熱、被動散熱及熱電冷卻等。其中，被動散熱主要包括常見的自然對流，間接接觸的氣液、固液相變冷卻，及直接接觸的浸沒式液體冷卻和相變冷卻等；主動散熱則主要包括常見的強迫風(fēng)冷散熱、強迫液冷等方式。電力電子設(shè)備散熱技術(shù)在研發(fā)新的散熱技術(shù)的同時對已有的散熱方式也在不斷地優(yōu)化和改進(jìn)，以充分發(fā)揮已有散熱方式的散熱能力。圖2為常見散熱方式所對應(yīng)的熱流密度范圍示意圖[14]。

圖2 常見散熱方式對應(yīng)的熱流密度范圍示意圖

3.1 自然對流散熱

自然對流散熱技術(shù)以空氣為傳熱介質(zhì)，利用空氣本身熱脹冷縮產(chǎn)生的浮生力，使散熱器翅片周圍空氣流動，實現(xiàn)熱空氣和冷空氣之間的交換。相比于其他散熱方式，自然對流散熱不需要額外提供能量，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，基本不需要維護(hù)，因此在熱流密度不大的場合應(yīng)用十分廣泛。由于散熱結(jié)構(gòu)簡單，因此針對自然對流散熱的研究主要以優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)及安裝方向為主，近年來以場協(xié)同原理為理論支撐的散熱研究開展較多[2,23]。

3.2 強迫風(fēng)冷散熱

與自然對流散熱相比，強迫風(fēng)冷散熱空氣的運動是依靠風(fēng)扇來提供動力，由于空氣的運動速度大大提高，因此，其散熱能力更強，熱流密度明顯高于自然對流散熱，約為自然風(fēng)冷的5～10倍[24]。強迫風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究主要包括熱沉結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計、散熱風(fēng)扇的選型及流體風(fēng)道設(shè)計等方面，以上三方面設(shè)計要使散熱面積、空氣流量和空氣壓降得到平衡，才能使強迫風(fēng)冷散熱發(fā)揮最佳效果。由于強迫風(fēng)冷散熱效果明顯好于自然風(fēng)冷，雖然散熱效果不如強制液冷，但其復(fù)雜程度、體積、重量和后期維護(hù)方面明顯優(yōu)于液冷，因在能夠在大功率電力電子器件的熱設(shè)計中廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展[14]。

3.3 強迫液冷散熱

圖3所示強迫液冷的典型結(jié)構(gòu)。散熱結(jié)構(gòu)中熱源產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)熱的方式經(jīng)器件封裝和液冷板，最終傳遞給冷卻液體，受熱后的液體在泵的作用下被輸送到換熱器部分，最終熱量經(jīng)換熱器散發(fā)到周圍環(huán)境中。強迫液冷與強迫風(fēng)冷相比，通過冷卻液體將熱源處的熱量轉(zhuǎn)移到換熱器部分，與熱源直接接觸的是液體，由于液體的導(dǎo)熱性明顯高于空氣，因此其散熱效果明顯優(yōu)于強迫風(fēng)冷散熱，其散熱能力約為風(fēng)冷的6～10倍[24]。在液冷散熱中采用導(dǎo)熱性更佳的介質(zhì)能夠顯著提高散熱效果，王德輝[25]提出了將液態(tài)金屬作為冷卻工質(zhì)應(yīng)用于電力電子器件散熱系統(tǒng)中的熱展開環(huán)節(jié)，并通過仿真加實驗的方法驗證了液態(tài)金屬應(yīng)用于大功率電力電子器件液冷散熱的可能性。由于系統(tǒng)中液體的存在，需要考慮到液體的更換和防止液體泄露對器件的損壞等問題，強迫液冷對液體可靠性和管路系統(tǒng)要求較高，且由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件較多，體積、重量明顯大于風(fēng)冷散熱，因此對其應(yīng)用環(huán)境有一定限制。

圖3 強迫液冷散熱典型結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 相變散熱

利用材料相變吸熱原理，將熱源發(fā)出的熱量轉(zhuǎn)化為相變潛熱，最終經(jīng)再次相變釋放到環(huán)境中去。按相變介質(zhì)與器件是否直接接觸可分為直接相變散熱和間接相變散熱，其中直接相變散熱中電子元器件直接浸沒在散熱介質(zhì)中，器件產(chǎn)生的熱量直接傳導(dǎo)給相變介質(zhì)，介質(zhì)通過對流和相變將熱量向外界環(huán)境傳播，因此在相變介質(zhì)的選取中需要充分考慮材料的導(dǎo)電性、沸點、流動性等方面因素[26-27]。間接相變散熱中因相變介質(zhì)不與器件直接接觸，熱源產(chǎn)生的熱量經(jīng)熱界面材料、外殼傳導(dǎo)給相變介質(zhì)[28]，因此對介質(zhì)的導(dǎo)電性無要求，但整體傳熱效果受熱界面材料和殼體導(dǎo)熱率影響較大。

3.5 熱電冷卻

熱電冷卻是利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)，即電流流經(jīng)兩種不同材料界面時，將從外界吸收或放出熱量，近年來隨著半導(dǎo)體材料制造技術(shù)的發(fā)展，熱電冷卻方式發(fā)展迅速[29-30]。圖4為熱電冷卻的典型結(jié)構(gòu)，雖然熱電冷卻的制冷端能夠顯著降低熱源的溫度，但其總的散熱能力受限于熱端的散熱能力，因此，系統(tǒng)整體的散熱效果與熱端散熱方式密切相關(guān)。由于熱電冷卻中熱端仍需采取一定的散熱措施，造成整體散熱系統(tǒng)較為復(fù)雜且笨重，對其應(yīng)用限制較大。

圖4 熱電冷卻典型結(jié)構(gòu)示意圖

3.6 熱管散熱

熱管散熱同樣是一種利用液體相變傳熱原理：熱管內(nèi)部飽和液體從高溫側(cè)吸收熱量而汽化，飽和蒸汽流動到低溫側(cè)放熱并冷凝成液體，經(jīng)重力或毛細(xì)力作用下回流到高溫側(cè)繼續(xù)參與吸、放熱循環(huán)[31]。圖5所示為重力熱管的典型結(jié)構(gòu)。熱管散熱雖為被動式散熱，但其具有其他金屬難以比擬的優(yōu)秀導(dǎo)熱能力，因而具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來各種形式的熱管散熱技術(shù)發(fā)展迅速。沈晶晶[32]針對超算集群CPU研究的重力熱管散熱系統(tǒng)能夠使服務(wù)器在滿負(fù)荷運行條件下保持CPU平均核心溫度在74 ℃以下，并且能夠顯著降低數(shù)據(jù)中心的PUE值，實現(xiàn)機房的節(jié)能減排；Shu[33]在針對大功率半導(dǎo)體激光器的熱設(shè)計研究中發(fā)現(xiàn)，使用U形熱管進(jìn)行散熱，功率密度可達(dá)367 W/cm2，冷卻效果顯著。

圖5 重力熱管典型結(jié)構(gòu)示意圖

3.7 微通道散熱

關(guān)于微通道的定義主要有兩種[34]：一種指水力直徑為0.01～0.2 mm的通道可稱為微通道；另一種根據(jù)浮升力與表面張力的比值來定義。不論何種定義方式，微通道散熱技術(shù)憑借其尺寸小、傳熱溫差小和單位面積換熱效率高等突出優(yōu)點，日益受到研究人員的關(guān)注，近年來隨著微通道理論的不斷完善以及加工技術(shù)的飛速發(fā)展，使得該技術(shù)已成為學(xué)者們的研究熱點。針對微通道散熱技術(shù)的研究主要集中于通道尺寸優(yōu)化、通道介質(zhì)的流動和傳熱特性等方面。洪芳軍等[35]提出了一種樹型微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并通過仿真和實驗的方式驗證了該新型微通到結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)平行微通道相比，在流動壓降、溫度均勻性及熱阻方面的均有明顯優(yōu)勢；此外，兩相工質(zhì)在微通道中的應(yīng)用研究也在逐漸增多，Chien等[36]針對兩相流體R410A在微通道中的沸騰換熱展開研究，發(fā)現(xiàn)通過工質(zhì)的相變吸熱能夠顯著提高微通道散熱的熱流密度。

4 散熱系統(tǒng)優(yōu)化研究

有效的散熱設(shè)計在充分發(fā)揮電力電子器件功率特點的同時，能夠顯著降低器件工作結(jié)溫，延長器件和設(shè)備的可靠運行壽命；還能夠改善設(shè)備整體的體積、重量，減少結(jié)構(gòu)冗余，利于設(shè)備的輕便和小型化發(fā)展?，F(xiàn)階段針對電力電子器件和設(shè)備的散熱設(shè)計和優(yōu)化內(nèi)容主要有：散熱器幾何參數(shù)優(yōu)化、散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，風(fēng)道或流道優(yōu)化，及新的優(yōu)化算法和理論的應(yīng)用等方面。

4.1 散熱器幾何參數(shù)優(yōu)化

板翅式散熱器由于結(jié)構(gòu)規(guī)則、簡單，生產(chǎn)加工方便等優(yōu)點，實際應(yīng)用較為廣泛；此外，板翅式散熱器幾何參數(shù)主要有：基板厚度、翅片高度、翅片厚度、翅片數(shù)量等，明顯少于其他異形散熱器，且各結(jié)構(gòu)參數(shù)相對獨立，互不干擾，因此針對其結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化研究明顯較多。

Wu等[37]針對板翅式散熱器提出了一種可預(yù)測水力和熱力性能的漸進(jìn)模型，運用該模型對散熱器翅片間距和厚度，基板長度、寬度和厚度等幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析；張建新等[38]采用正交試驗法和遺傳算法兩種優(yōu)化方法，以肋片間距、厚度和高度為優(yōu)化變量，對芯片結(jié)溫和肋片重量實施了雙目標(biāo)優(yōu)化，結(jié)果表明兩種方法均有較好的優(yōu)化效果，且通過遺傳算法能夠得到更加多樣的優(yōu)化結(jié)構(gòu)；龔美[39]在對大功率LED路燈散熱器的優(yōu)化研究中，通過仿真軟件分別研究了基板厚度，翅片厚度、間距和高度對LED散熱性能的影響，并由此確定了該路燈模型散熱器的最優(yōu)幾何尺寸。雖然目前針對散熱器幾何參數(shù)的優(yōu)化已有較多研究，但上述優(yōu)化研究中對散熱效果的評價缺乏統(tǒng)一指標(biāo)，并且對散熱器幾何參數(shù)的選取未形成一定規(guī)律。

4.2 散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

散熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要集中于在散熱器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上提出不同的改進(jìn)方法，提高其散熱效果。Li等[2]針對斬波設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)提出了對散熱器基板進(jìn)行開縫處理的優(yōu)化措施，研究發(fā)現(xiàn)，在自然對流條件下，該結(jié)構(gòu)能夠提高散熱器中間部位空氣流動的連續(xù)性及場協(xié)同性，使熱源溫度明顯降低，優(yōu)化效果顯著；王林習(xí)等[40]針對散熱器底部存在空氣滯留區(qū)，減弱對流換熱效果的問題，提出了對散熱器翅片進(jìn)行開縫的優(yōu)化研究，通過仿真計算，發(fā)現(xiàn)開縫結(jié)構(gòu)能夠增加流動空氣擾動，使翅片間空氣流速提高了18%，溫度降低了5%；王文奇等[41]提出了一種新型樹葉形翅片的散熱器，并對翅片傾角、翅片間距等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，最后從場協(xié)同性和傳熱性能兩方面對比了優(yōu)化后的新型翅片和豎直平板翅片、開縫翅片和煙囪翅片等3種典型翅片，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的樹葉形翅片協(xié)同角最小，換熱性能最好，驗證了該新型結(jié)構(gòu)對強化散熱的有效性。

4.3 散熱系統(tǒng)風(fēng)道優(yōu)化

在不改變散熱器結(jié)構(gòu)的條件下，通過調(diào)整器件布局、風(fēng)機位置、加裝導(dǎo)風(fēng)板等方式改變空氣流動方向及氣流分布，使在有限的空間條件下散熱效果得到增強。Li等[42]通過調(diào)整散熱器放置方向并加裝導(dǎo)風(fēng)板優(yōu)化風(fēng)道，使原本集中的冷卻空氣在導(dǎo)風(fēng)板作用下均勻分布在散熱器翅片間，提高了散熱效果：優(yōu)化后溫度下降達(dá)21 ℃；Xu等[43]研究了自然對流條件下電機變換器不同放置形式：肋片朝下、垂直和朝上時，對器件最高溫升的影響，結(jié)果表明，肋片朝上放置時功率變換器的最高溫升和溫升梯度最小，散熱效果最佳；Chao等[44]提出了在橫流冷卻下散熱器中加裝擋板的優(yōu)化措施，在小雷諾數(shù)情況下，通過擋板的阻擋作用，能夠使更多的流體通過葉片間流道，從散熱器傳出的熱量明顯增大，提高整體結(jié)構(gòu)的散熱效果。

4.4 散熱優(yōu)化算法及理論

針對散熱系統(tǒng)的優(yōu)化研究需要以某一理論或算法為基礎(chǔ)，雖然近年來散熱優(yōu)化方面已有較多研究，但尚未形成關(guān)于散熱系統(tǒng)優(yōu)化方面統(tǒng)一的優(yōu)化理論或目標(biāo)。張健[14]在對多芯片模塊散熱系統(tǒng)的熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中分別以散熱器到環(huán)境的熱阻、散熱系統(tǒng)壓降和散熱器重量為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)之上利用熵產(chǎn)最小原理結(jié)合遺傳算法對散熱器肋片參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后散熱器表面溫度顯著降低；區(qū)嘉潔[23]在對燃?xì)饪蛙嚢l(fā)動機艙多場耦合強化散熱的研究中，利用場協(xié)同原理，針對發(fā)動機艙不同部位的結(jié)構(gòu)及流場特點，以溫度梯度“核心流最小-熱邊界最大”強化散熱原則對發(fā)動機艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化研究，優(yōu)化后發(fā)動機艙散熱效果提高顯著。

5 新材料在電力電子散熱研究中的應(yīng)用

隨著研究發(fā)展不斷深入，在各結(jié)構(gòu)層次中均有新材料的應(yīng)用：在開關(guān)器件中，SiC等寬禁帶半導(dǎo)體材料的應(yīng)用；在相變散熱中，新型高可靠性相變介質(zhì)的應(yīng)用；在熱界面材料中，各種成分的液態(tài)金屬的應(yīng)用等。

5.1 SiC基寬禁帶半導(dǎo)體材料的應(yīng)用

SiC作為第三代半導(dǎo)體材料，具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場強和高鍵合能等優(yōu)點，可以滿足現(xiàn)代電力電子技術(shù)對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，因而在大功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用中有廣闊前景[45]。SiC材料在大功率開關(guān)器件中的應(yīng)用能夠大大提高器件的耐高溫工作能力，降低散熱要求，從而降低整體體積和重量。隨著SiC材料制備技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得SiC材料的生產(chǎn)成本在不斷降低，近年來以SiC材料為芯片的大功率開關(guān)器件不斷涌現(xiàn)，針對相應(yīng)器件開展的研究也日益增多。欒曉騰等[46]在大功率條件下SiC器件與交錯并聯(lián)Buck電路相結(jié)合，并與Si器件進(jìn)行對比，研究表明兩者的結(jié)合對提高電路整體效率、減小電路體檢具有很好的效果；蘇敏等[47]將SiC MOSFET應(yīng)用于移相全橋ZVS變換器中，通過實驗和仿真發(fā)現(xiàn)，新材料的應(yīng)用大大提高了直流變換裝置的效率、增大了直流變換裝置的功率密度，減小了直流變換裝置的體積尺寸，提高了變換裝置的可靠性。

5.2 新型相變材料的應(yīng)用

基于相變材料的相態(tài)變化吸收潛熱的散熱技術(shù)，其散熱能力能夠比傳統(tǒng)的溫差散熱技術(shù)高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍，因此具有廣闊的發(fā)展前景，但由于相變材料的成本及可靠性等因素，限制了其應(yīng)用。研究出低成本、高可靠性并且具有合適相變溫度的材料一直是研究人員的關(guān)注熱點。劉業(yè)鳳等[48]針對三元鋰離子電池組設(shè)計了基于膨脹石墨/石蠟復(fù)合定型相變材料的散熱結(jié)構(gòu)，并研究了石墨含量和環(huán)境溫度對該PCM材料散熱性能的影響，為下一步基于PCM的電池組散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)；An等[49]同樣對基于石蠟/膨脹石墨的復(fù)合相變材料展開研究，通過實驗發(fā)現(xiàn)復(fù)合相變材料比純石蠟具有更好的散熱性能，并且對復(fù)合相變材料中膨脹石墨的含量對材料散熱性能的影響展開研究，通過對比發(fā)現(xiàn)當(dāng)膨脹石墨含量為6%時，復(fù)合相變材料擁有最佳的散熱性能。

5.3 新型熱界面材料的應(yīng)用

在散熱系統(tǒng)設(shè)計中，從器件表面到散熱器表面的熱量傳遞過程容易被忽略。實際結(jié)構(gòu)中，由于器件和散熱器表面是固體之間的接觸，在微觀尺度上不可避免的存在空隙，由于空氣的導(dǎo)熱性能較差，遠(yuǎn)低于金屬的導(dǎo)熱率，兩金屬接觸面之間會產(chǎn)生較大的接觸熱阻，使兩界面之間溫差較大，嚴(yán)重制約了整個系統(tǒng)的散熱效果。因此，合適的熱界面材料能夠顯著降低從器件到散熱器的接觸熱阻，從而提高整體散熱效果。熱界面材料自身的熱導(dǎo)率越高，相應(yīng)的界面熱阻越小，散熱效果也就越好。近年來，隨著室溫液態(tài)金屬的研究不斷深入，以液態(tài)金屬為基礎(chǔ)的熱界面材料逐漸增多。高云霞等[50]在采用微氧化法制備Ga基室溫液態(tài)金屬熱界面材料的研究中發(fā)現(xiàn)，微量氧化鎵的存在可顯著改善液態(tài)金屬的潤濕性，并研究液態(tài)金屬Ga及其二元、三元合金熱界面材料的導(dǎo)熱性能，對比市售導(dǎo)熱硅脂，發(fā)現(xiàn)該新型鎵基熱界面材料，特別是其二元合金熱界面材料，在大功率下工作時能夠顯示出更加優(yōu)越的導(dǎo)熱性能；Liu等[51]將AlN與液態(tài)金屬和聚二甲基硅氧烷相結(jié)合，合成一種新型的復(fù)合熱界面材料，研究表明該新型熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)和接觸熱阻均優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)品，并且粘度適當(dāng)，降低了溢出風(fēng)險。并在CPU上測試了該產(chǎn)品的實際使用效果，散熱性能優(yōu)越，具有廣闊的應(yīng)用前景。

6 結(jié)論

本文對現(xiàn)有大功率電力電子器件的散熱研究進(jìn)行了詳細(xì)介紹分析。在解決大功率電力電子器件的散熱問題時，首先要以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，從熱力學(xué)基本定律出發(fā)；重視新材料的研發(fā)與生產(chǎn)，不論是散熱材料還是熱界面材料，新材料均有著無可比擬的優(yōu)勢，研發(fā)熱性能優(yōu)越的新材料，并降低生產(chǎn)應(yīng)用成本，使其能夠廣泛普及，才能夠充分發(fā)揮出現(xiàn)有散熱技術(shù)的散熱潛力，提高散熱效果。對于新的散熱技術(shù)的研究也要繼續(xù)深入，現(xiàn)有散熱技術(shù)從被動到主動，從自然對流到強迫風(fēng)冷再到強迫液冷，以及從單相散熱到多相散熱的發(fā)展過程中，熱流密度已大幅度增加，新型散熱方式雖然會不可避免的伴隨著整體結(jié)構(gòu)的改變，但其熱流密度的提高是顯著的，對提高設(shè)備整體的散熱效果具有重要意義。