电气设备的热管理助于防止过热和电路故障

有没有想过人们对电路过热引起的电涌引起的爆炸以及电器损坏甚至火灾发生的后果的反应？人们在身体、情感和心理上受到创伤的方式促使电力行业的专家将注意力集中在分析电力行为上。这样，可以通过适当的热管理来防止并在可能的情况下消除此类损坏。

电子在穿过导体和半导体时会产生大量热量，它们会对电路的最终性能产生负面影响。最大的障碍是由微电子的实现造成的，它与散热不太好。近几十年来，电子设备的功率密度显着增加。减小器件尺寸的趋势增加了电子电路中的热问题。因此，功率器件中的温度管理仍然是一个极其关键的因素。审查技术和方法以更好地管理与系统热方面相关的问题变得至关重要。

电气设备的热分析是确保系统稳定性必不可少的步骤。对于小型化和高性能的设备，这一点更为重要。热分析一般计算工作条件的范围和零件之间的热传导。设计人员研究了热空气路径，以避免在电路中形成气泡。热量可以通过风扇的强制对流和自然对流来消散。电子能量转换电路的功能取决于设计者的计算。热仿真是设计师的绝佳盟友。它可以帮助他们设计原型，而无需物理构建机械和电子部件。小细节的存在会对最终电路产生很大的影响。

高温：负面影响

温度会改变电气和电子元件的可靠性和耐用性。设备故障几乎总是由热问题引起的。电路中温度的升高会导致设备过早老化，而低温会促进冷凝的形成，从而有损坏设备和腐蚀的风险。功率和高温创造了一个不可分割的组合。在每个系统中，一小部分功率会转化为未使用的热量（见图 1）。电源电路、逆变器、转换器、斩波器、电源就是这种情况，它们会产生大量热量，尤其是在设计不当的情况下。

图 1：由具有 IGBT 的逆变器开发的热图

如果功率器件的设计具有优良的结构标准，符合法规，遵循操作限制，使用快速开关元件和低散热，系统将在更低的温度下以更高的效率工作。电路中高温的最大问题之一是效率降低。高温通常是集成电路和电子元件的大敌。高温不仅使系统工作不稳定，还会降低部件的平均寿命，从而导致其劣化。

夏季是功率器件过热问题的关键时期。散热不好一般是灰尘、风扇问题、风道堵塞造成的。保护电路会降低最终性能甚至停止操作。工作温度不仅取决于电路的功能，还取决于使用地点。理想的情况是凉爽通风的环境，但这通常是不可能的。内部和外部温度之间需要适当的平衡。

即使功率器件的性能非常高，产生的热量也总是过多。一个例子可以澄清任何疑问：假设我们正在使用一个效率为 98% 的十 （10） kW 逆变器。它是一种良品率极好的器件。百分之二 （2） 的能量（等于 200 W）会在未使用的热量中损失掉，而这种热功率代表了相当高的值。甚至设备容器上的温度也会影响效率。如果它太高，电路必须降低它们的功率。在某些情况下，不可能使用所有可用的模块电源。

如何应对高温

在操作层面，用户应对设备进行简单的维护，如除尘、清洁风道等，以保证设备的正常运行。显然，系统必须设计为尽可能少的发热量，因此，在设计功率器件时应该注意一些预防措施。

散热片

要采取的第一个预防措施是采用并实施一种策略来散发电气和电子电路的热量。散热器的传热效率与散热器与周围空间之间的热阻有关。它测量材料散热的能力。具有大表面积和良好空气流通（气流）的散热器，提供最佳散热。为此，必须安装合适的散热器，与相关方直接接触（图 3）。

理想的散热材料必须具有高导热性、低热膨胀系数、低密度和低成本。使用的材料是铜和铝：前者用于需要最大传热效率的场合，成本较高，比重较大；后者用于要求不高的操作条件。然而，现在正在研究一门关于热材料的新科学，在不久的将来，技术将有助于生产具有更好性能和更低成本的新材料。

图 3：散热器的模拟

通过系统内部的金属氧化物半导体场效应晶体管（Mosfet）的开/关来调节输出功率，从而达到节能调速的目的。冷却对电路的性能和使用寿命至关重要。今天，有双面冷却功率模块提供卓越的冷却性能，以提高热循环的鲁棒性。半导体管芯夹在传统的直接键合铜 （DBC） 基板之间，基板直接冷却，而不是通过传统的散热器、散热器组件。

图 4：一个软件可以模拟系统

设计人员必须实施设备以高效可靠地冷却包含电路的外壳。如果这是精心制作的，它也可以用作散热器。这样，设备可以在最大额定功率下运行，即使环境温度高达 50° C。许多高度专业的软件允许您模拟由电气、物理和液压子系统组成的整个系统（见图 4）。该软件允许在实际生产之前进行虚拟原型测试。在设计冷却元件之前，可以研究材料、热流和电信号以确定最佳工作点。

作为散热器的容器

许多功率器件封装在金属容器中，金属容器本身充当散热器。这些是可以完美适应最极端环境的防水容器。它们通常具有带散热片的铝制机身。

优化电子元件的位置

当电流流过电子元件时，它们会散热。热量取决于功率和电路设计。电子元件在电路上的最佳布置应提供良好的空气流通和部件的智能放置，同时考虑到电路的规格。在热分布下优化布置的组件可以在环境中散发热量（参见图 6）。

图 6：电路的热图

最热的组件应该放置在比冷组件更高的位置。电路可以在带有热平面的印刷电路板 （PCB） 上安装的组件上覆盖金属盖，以帮助散热。组件有助于产生热量和电气连接、铜迹线和通孔的电阻。此外，必须特别小心地创建 PCB。设计人员必须研究元件的尺寸、PCB 的尺寸及其材料、布局、元件放置和采用适当冷却方法的方向。他们可以使用红外 （IR） 摄像头和仿真软件来评估供电原型板。

主动散热

如果无法应用被动解决方案，最好使用主动解决方案，这些解决方案通常由用于测量热参数的系统和执行器（恒温器或恒湿器）组成。它控制改变热量的设备（风扇、加热器、空调等）。主动冷却方法，例如强制通风或泵送液体，可以提供可接受的性能。然而，这会增加能耗和噪音。这些系统通过风扇、空调和空气-空气或空气-水交换提供强制对流。

具有低 R DS（on） 的开关元件

现代开关电路由碳化硅 （SiC） 和氮化镓 （GaN） MOSFET 制成。这些组件提供了很大的优势，主要是从散热的角度来看和效率。与硅 （Si） 相比，SiC 具有十倍的介电击穿场强、三 （3） 倍的带隙和三 （3） 倍的热导率。SiC MOSFET 的主要特性和优势包括：

极高的温度处理能力（最大 TJ = 200 °C）；

显着降低开关损耗；

低导通电阻（650 V 器件为 20 mOhm，1200 V 器件为 80 mOhm）；

非常快速和强大的本征体二极管。

GaN 对于生产 MOSFET 也非常有用。GaN是直接带隙半导体。基于 GaN 的 MOSFET 和金属半导体场效应晶体管 （MESFET） 可用于高功率电子产品，尤其是电动汽车和汽车应用。

结论

设计人员应从设计的概念阶段就考虑影响温度的所有因素。热管理技术取决于组件和电路散发的热量、环境、设计和外壳。随着功率微电路的采用，必须毫无问题地管理能量并最大限度地散热。毫无疑问，受正确热管理影响的第一个因素是安全性。由于大多数功率器件用于汽车领域，因此谨慎和安全是主要目标。

良好的热管理还有助于防止过热和电路故障。这导致电力设备最终用户的维护成本大幅降低。它们还提高了能源效率和消耗。更好的热管理可以提高系统的性能。最后，精心设计的电子电路，具有所有最佳热管理标准，可以保护其电子元件，使其使用寿命更长。为此，整个系统的维护也大大减少。

审核编辑：郭婷