如何應(yīng)對(duì)電氣設(shè)備熱管理的幾個(gè)方面考量

應(yīng)對(duì)電氣設(shè)備溫度，第一個(gè)考量就是加強(qiáng)散熱。首先要采取的預(yù)防措施是采用并實(shí)施一種策略來(lái)分散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。

理想的散熱片材料必須具有高導(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：前者用于需要最大熱傳遞效率的情況，成本更高，比重更大;后者適用于要求不高的操作條件。然而，近來(lái)，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)性能更好、成本更低的新材料。

通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部金屬氧化物半導(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)能和調(diào)速的目的。冷卻對(duì)于電路的性能和使用壽命至關(guān)重要。如今，雙面冷卻電源模塊可提供卓越的冷卻性能，以提高對(duì)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。

設(shè)計(jì)人員必須實(shí)施設(shè)備，以對(duì)包含電路的外殼進(jìn)行有效和可靠的冷卻。如果這是精心制作的，它也可以用作散熱器。這樣，即使環(huán)境溫度高達(dá) 50°C，設(shè)備也可以在最大額定功率下運(yùn)行。許多高度專業(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)。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)。

容器作為散熱器

許多功率器件封裝在金屬容器中，這些金屬容器本身充當(dāng)散熱器。這些是防水容器，可以完美適應(yīng)最極端的環(huán)境。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)?？紤]到電路的規(guī)格，電路上電子元件的最佳布置應(yīng)提供良好的空氣流通和部件的智能放置。這些組件在熱剖面下進(jìn)行了優(yōu)化布置，可以將它們的熱量散發(fā)到環(huán)境中。

最熱的組件應(yīng)放置在比冷的組件更高的位置。電路可以在安裝在具有熱平面的印刷電路板 (PCB) 上的組件上覆蓋金屬蓋，以幫助散熱。組件有助于產(chǎn)生熱量以及電連接、銅跡線和通孔的電阻。此外，必須特別小心地創(chuàng)建 PCB。設(shè)計(jì)人員必須使用適當(dāng)?shù)睦鋮s方法研究組件的尺寸、PCB 的尺寸及其材料、布局、組件放置和方向。他們可以使用紅外 (IR) 攝像頭以及仿真軟件來(lái)評(píng)估供電原型板。

主動(dòng)冷卻

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，該解決方案通常由測(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)制空氣或泵送液體，可以提供可接受的性能。然而，這會(huì)增加能量消耗和噪音。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)組件

現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電路由碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) MOSFET 制成(圖 7)。這些組件提供了很大的優(yōu)勢(shì)，主要是從熱的角度和效率的角度來(lái)看。與硅 (Si) 相比，SiC 具有十倍的介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)、三 倍的帶隙和三 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;

· 低通態(tài)電阻(650 V 器件為 20 mOhm，1200 V 器件為 80 mOhm);

· 非?？焖俸蛷?qiáng)大的本征體二極管。

GaN 對(duì)于生產(chǎn) MOSFET 也非常有用。GaN是一種直接帶隙半導(dǎo)體?；?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，尤其是在電動(dòng)汽車(chē)和汽車(chē)應(yīng)用中。

結(jié)論

設(shè)計(jì)師應(yīng)從設(shè)計(jì)的概念階段考慮所有影響溫度的因素。熱管理技術(shù)取決于組件和電路耗散的熱量、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)題地管理能源并最大限度地散熱。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)。因此，整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)也大大減少。