有沒(méi)有想過(guò)人們對(duì)電路過(guò)熱引起的電涌引起的爆炸以及電器損壞甚至火災(zāi)發(fā)生的后果的反應(yīng)？人們?cè)谏眢w、情感和心理上受到創(chuàng)傷的方式促使電力行業(yè)的專(zhuān)家將注意力集中在分析電力行為上。這樣，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臒峁芾韥?lái)防止并在可能的情況下消除此類(lèi)損壞。

電子在穿過(guò)導(dǎo)體和半導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，它們會(huì)對(duì)電路的最終性能產(chǎn)生負(fù)面影響。最大的障礙是由微電子的實(shí)現(xiàn)造成的，它與散熱不太好。近幾十年來(lái)，電子設(shè)備的功率密度顯著增加。減小器件尺寸的趨勢(shì)增加了電子電路中的熱問(wèn)題。因此，功率器件中的溫度管理仍然是一個(gè)極其關(guān)鍵的因素。審查技術(shù)和方法以更好地管理與系統(tǒng)熱方面相關(guān)的問(wèn)題變得至關(guān)重要。

電氣設(shè)備的熱分析是確保系統(tǒng)穩(wěn)定性必不可少的步驟。對(duì)于小型化和高性能的設(shè)備，這一點(diǎn)更為重要。熱分析一般計(jì)算工作條件的范圍和零件之間的熱傳導(dǎo)。設(shè)計(jì)人員研究了熱空氣路徑，以避免在電路中形成氣泡。熱量可以通過(guò)風(fēng)扇的強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流來(lái)消散。電子能量轉(zhuǎn)換電路的功能取決于設(shè)計(jì)者的計(jì)算。熱仿真是設(shè)計(jì)師的絕佳盟友。它可以幫助他們?cè)O(shè)計(jì)原型，而無(wú)需物理構(gòu)建機(jī)械和電子部件。小細(xì)節(jié)的存在會(huì)對(duì)最終電路產(chǎn)生很大的影響。

高溫：負(fù)面影響

溫度會(huì)改變電氣和電子元件的可靠性和耐用性。設(shè)備故障幾乎總是由熱問(wèn)題引起的。電路中溫度的升高會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過(guò)早老化，而低溫會(huì)促進(jìn)冷凝的形成，從而有損壞設(shè)備和腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。功率和高溫創(chuàng)造了一個(gè)不可分割的組合。在每個(gè)系統(tǒng)中，一小部分功率會(huì)轉(zhuǎn)化為未使用的熱量（見(jiàn)圖 1）。電源電路、逆變器、轉(zhuǎn)換器、斬波器、電源就是這種情況，它們會(huì)產(chǎn)生大量熱量，尤其是在設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)那闆r下。

圖 1：由具有 IGBT 的逆變器開(kāi)發(fā)的熱圖

如果功率器件的設(shè)計(jì)具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，符合法規(guī)，遵循操作限制，使用快速開(kāi)關(guān)元件和低散熱，系統(tǒng)將在更低的溫度下以更高的效率工作。電路中高溫的最大問(wèn)題之一是效率降低。高溫通常是集成電路和電子元件的大敵。高溫不僅使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，還會(huì)降低部件的平均壽命，從而導(dǎo)致其劣化。

夏季是功率器件過(guò)熱問(wèn)題的關(guān)鍵時(shí)期。散熱不好一般是灰塵、風(fēng)扇問(wèn)題、風(fēng)道堵塞造成的。保護(hù)電路會(huì)降低最終性能甚至停止操作。工作溫度不僅取決于電路的功能，還取決于使用地點(diǎn)。理想的情況是涼爽通風(fēng)的環(huán)境，但這通常是不可能的。內(nèi)部和外部溫度之間需要適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

即使功率器件的性能非常高，產(chǎn)生的熱量也總是過(guò)多。一個(gè)例子可以澄清任何疑問(wèn)：假設(shè)我們正在使用一個(gè)效率為 98% 的十 （10） kW 逆變器。它是一種良品率極好的器件。百分之二 （2） 的能量（等于 200 W）會(huì)在未使用的熱量中損失掉，而這種熱功率代表了相當(dāng)高的值。甚至設(shè)備容器上的溫度也會(huì)影響效率。如果它太高，電路必須降低它們的功率。在某些情況下，不可能使用所有可用的模塊電源。

如何應(yīng)對(duì)高溫

在操作層面，用戶(hù)應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的維護(hù)，如除塵、清潔風(fēng)道等，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。顯然，系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為盡可能少的發(fā)熱量，因此，在設(shè)計(jì)功率器件時(shí)應(yīng)該注意一些預(yù)防措施。

散熱片

要采取的第一個(gè)預(yù)防措施是采用并實(shí)施一種策略來(lái)散發(fā)電氣和電子電路的熱量。散熱器的傳熱效率與散熱器與周?chē)臻g之間的熱阻有關(guān)。它測(cè)量材料散熱的能力。具有大表面積和良好空氣流通（氣流）的散熱器，提供最佳散熱。為此，必須安裝合適的散熱器，與相關(guān)方直接接觸（圖 3）。

理想的散熱材料必須具有高導(dǎo)熱性、低熱膨脹系數(shù)、低密度和低成本。使用的材料是銅和鋁：前者用于需要最大傳熱效率的場(chǎng)合，成本較高，比重較大；后者用于要求不高的操作條件。然而，現(xiàn)在正在研究一門(mén)關(guān)于熱材料的新科學(xué)，在不久的將來(lái)，技術(shù)將有助于生產(chǎn)具有更好性能和更低成本的新材料。

圖 3：散熱器的模擬

通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Mosfet）的開(kāi)/關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，從而達(dá)到節(jié)能調(diào)速的目的。冷卻對(duì)電路的性能和使用壽命至關(guān)重要。今天，有雙面冷卻功率模塊提供卓越的冷卻性能，以提高熱循環(huán)的魯棒性。半導(dǎo)體管芯夾在傳統(tǒng)的直接鍵合銅 （DBC） 基板之間，基板直接冷卻，而不是通過(guò)傳統(tǒng)的散熱器、散熱器組件。

圖 4：一個(gè)軟件可以模擬系統(tǒng)

設(shè)計(jì)人員必須實(shí)施設(shè)備以高效可靠地冷卻包含電路的外殼。如果這是精心制作的，它也可以用作散熱器。這樣，設(shè)備可以在最大額定功率下運(yùn)行，即使環(huán)境溫度高達(dá) 50° C。許多高度專(zhuān)業(yè)的軟件允許您模擬由電氣、物理和液壓子系統(tǒng)組成的整個(gè)系統(tǒng)（見(jiàn)圖 4）。該軟件允許在實(shí)際生產(chǎn)之前進(jìn)行虛擬原型測(cè)試。在設(shè)計(jì)冷卻元件之前，可以研究材料、熱流和電信號(hào)以確定最佳工作點(diǎn)。

作為散熱器的容器

許多功率器件封裝在金屬容器中，金屬容器本身充當(dāng)散熱器。這些是可以完美適應(yīng)最極端環(huán)境的防水容器。它們通常具有帶散熱片的鋁制機(jī)身。

優(yōu)化電子元件的位置

當(dāng)電流流過(guò)電子元件時(shí)，它們會(huì)散熱。熱量取決于功率和電路設(shè)計(jì)。電子元件在電路上的最佳布置應(yīng)提供良好的空氣流通和部件的智能放置，同時(shí)考慮到電路的規(guī)格。在熱分布下優(yōu)化布置的組件可以在環(huán)境中散發(fā)熱量（參見(jiàn)圖 6）。

圖 6：電路的熱圖

最熱的組件應(yīng)該放置在比冷組件更高的位置。電路可以在帶有熱平面的印刷電路板 （PCB） 上安裝的組件上覆蓋金屬蓋，以幫助散熱。組件有助于產(chǎn)生熱量和電氣連接、銅跡線(xiàn)和通孔的電阻。此外，必須特別小心地創(chuàng)建 PCB。設(shè)計(jì)人員必須研究元件的尺寸、PCB 的尺寸及其材料、布局、元件放置和采用適當(dāng)冷卻方法的方向。他們可以使用紅外 （IR） 攝像頭和仿真軟件來(lái)評(píng)估供電原型板。

主動(dòng)散熱

如果無(wú)法應(yīng)用被動(dòng)解決方案，最好使用主動(dòng)解決方案，這些解決方案通常由用于測(cè)量熱參數(shù)的系統(tǒng)和執(zhí)行器（恒溫器或恒濕器）組成。它控制改變熱量的設(shè)備（風(fēng)扇、加熱器、空調(diào)等）。主動(dòng)冷卻方法，例如強(qiáng)制通風(fēng)或泵送液體，可以提供可接受的性能。然而，這會(huì)增加能耗和噪音。這些系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)扇、空調(diào)和空氣-空氣或空氣-水交換提供強(qiáng)制對(duì)流。

具有低 R DS（on） 的開(kāi)關(guān)元件

現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電路由碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） MOSFET 制成。這些組件提供了很大的優(yōu)勢(shì)，主要是從散熱的角度來(lái)看和效率。與硅 （Si） 相比，SiC 具有十倍的介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)、三 （3） 倍的帶隙和三 （3） 倍的熱導(dǎo)率。SiC MOSFET 的主要特性和優(yōu)勢(shì)包括：

極高的溫度處理能力（最大 TJ = 200 °C）；

顯著降低開(kāi)關(guān)損耗；

低導(dǎo)通電阻（650 V 器件為 20 mOhm，1200 V 器件為 80 mOhm）；

非常快速和強(qiáng)大的本征體二極管。

GaN 對(duì)于生產(chǎn) MOSFET 也非常有用。GaN是直接帶隙半導(dǎo)體。基于 GaN 的 MOSFET 和金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （MESFET） 可用于高功率電子產(chǎn)品，尤其是電動(dòng)汽車(chē)和汽車(chē)應(yīng)用。

結(jié)論

設(shè)計(jì)人員應(yīng)從設(shè)計(jì)的概念階段就考慮影響溫度的所有因素。熱管理技術(shù)取決于組件和電路散發(fā)的熱量、環(huán)境、設(shè)計(jì)和外殼。隨著功率微電路的采用，必須毫無(wú)問(wèn)題地管理能量并最大限度地散熱。毫無(wú)疑問(wèn)，受正確熱管理影響的第一個(gè)因素是安全性。由于大多數(shù)功率器件用于汽車(chē)領(lǐng)域，因此謹(jǐn)慎和安全是主要目標(biāo)。

良好的熱管理還有助于防止過(guò)熱和電路故障。這導(dǎo)致電力設(shè)備最終用戶(hù)的維護(hù)成本大幅降低。它們還提高了能源效率和消耗。更好的熱管理可以提高系統(tǒng)的性能。最后，精心設(shè)計(jì)的電子電路，具有所有最佳熱管理標(biāo)準(zhǔn)，可以保護(hù)其電子元件，使其使用壽命更長(zhǎng)。為此，整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)也大大減少。

審核編輯：郭婷