在快速發(fā)展的電力電子領域，熱管理已成為確保設備可靠性、效率和壽命的關鍵因素。這對于電動汽車等能源密集型行業(yè)尤其重要，其中碳化硅(SiC) 和氮化鎵 (GaN) 電子電路解決方案(例如逆變器、轉換器和充電電路)正在徹底改變這一領域。

介紹

與傳統(tǒng)硅開關相比，SiC 和 GaN 器件具有更高的性能水平，因為它們能夠在更高的電壓和頻率下工作，并且開關損耗更低。由于這些原因，它們可以在比過去的電子元件更低的溫度下工作。然而，雖然效率更高，但如此高性能不可避免地會產生大量熱量，必須有效消散這些熱量，以避免組件損壞并確保最佳和安全的運行。設計者采用多種策略來產生盡可能少的熱量，從而轉化為能量損失。

這些解決方案涉及所用散熱器的材料和形狀、先進的冷卻技術(還涉及液體解決方案)、特殊傳感器的主動熱控制，當然還有電路和 PCB 的優(yōu)化設計。所有這些解決方案和行動方法的總和決定了電源電路熱系統(tǒng)的改進率。電子元件的冷操作始終是優(yōu)選的，設計人員采取各種措施來降低溫度值。對于電源應用，溫度是需要持續(xù)關注的關鍵因素。開關和傳導損耗會使設備發(fā)熱并導致嚴重故障。

散熱器：形狀和材料

散熱器的作用是交換和傳遞熱量。它通常由金屬制成，并釋放和散發(fā)熱量以防止與其連接的設備過熱。保持設備的溫度盡可能低符合設計者和最終用戶的利益。將其安裝在設備箱外部始終優(yōu)于安裝在設備箱內。但如果條件需要內部組裝，系統(tǒng)必須配備足夠的空氣流通。需要冷卻的組件通過直接接觸通過傳導將熱量傳遞到散熱器。散熱器反過來，通過對流將熱量分散到周圍環(huán)境(通常由空氣組成)。散熱器的設計是真正的藝術品，使用銅和鋁等高導熱材料可以顯著改善傳熱。

下面介紹由具有不同導熱系數的材料制成的三種散熱器的不同行為，即：

· 第一個散熱器由鋼制成，導熱系數為 61 mW/mm·°C

· 第二個散熱器由鋅制成，導熱系數為112 mW/mm·°C

· 第三散熱片材質為銀，導熱系數為420 mW/mm·℃

目前，大多數耗散元件由銅或鋁制成，因為銀太貴了。圖中的模擬是在 27°C 的環(huán)境溫度下進行的，清楚地顯示了不同材料之間的良率差異?？梢钥闯?，鋼的特點是導熱率低，因此大部分熱量仍然“滯留在”電子設備附近，存在明顯的變質風險。另一方面，銀的特點是導熱率高，因此熱量可以很好地分布在散熱器的整個表面上，然后通過對流方式傳遞到空氣中。

尺寸和暴露在空氣中的表面決定性地決定散熱器的效率以及從電子元件到環(huán)境的熱傳遞。大多數散熱器都是由鋁制成的，因為它是優(yōu)良的熱導體并且重量輕。散熱器的設計取決于要耗散的額定功率、環(huán)境溫度以及設計可用的空間。它由翅片組成，可增加暴露在空氣中進行冷卻的表面積。它們的物理形狀旨在優(yōu)化暴露的表面積。當然，換熱面是至關重要的;表面越大，散熱器的熱阻越低，但要冷卻的電氣元件的尺寸與散熱器本身的散熱表面始終需要正確的比率。

只有在最佳使用情況下，散熱器的熱阻才符合額定數據。該參數取決于尺寸(表面積、厚度)、物理形狀、材料、顏色、表面的衛(wèi)生狀態(tài)和方向。 顯示了環(huán)境溫度為 27°C 時三種不同鋁制散熱器的另一個熱模擬，突出顯示了其表面的溫度分布。

從“俯視圖”來看，這三個散熱器具有相同的二維表面，但具有不同的幾何形狀：

· 第一個是平板

· 第二個有一系列縱向翅片

· 第三個有一系列更密集和更薄的垂直翅片

三個散熱器的溫度分布不均勻。最熱的區(qū)域位于功率應用區(qū)域附近，而最冷的區(qū)域位于鰭片的末端，距離晶體管最遠的點。仿真顯示了散熱器的幾何形狀如何影響其散熱能力。由于模型設計中采用了厚度，三個暴露表面差異較大，下表列出了它們及其歸一化值。

第一散熱器是平板，其熱交換表面有限，因此呈現最高溫度。第二散熱器具有較大的熱交換表面，因此具有較低的溫度。第三個散熱器具有最大的熱交換表面，因此具有最低的溫度。

熱部件固定到散熱器上的物理形狀和位置非常關鍵，既要確定體積與表面積之間的良好比例，又要使熱量有效地傳遞到環(huán)境中。熱空氣比冷空氣輕，因此熱量的自然運動是從下到上。垂直放置翅片的散熱器比水平放置的散熱器在更好的條件下工作。散熱器的顏色也有其重要性，影響其性能。黑色散熱器可以通過輻射最大限度地擴散熱量。裸色或黑色陽極氧化鋁是一種極好的解決方案，而其他顏色的質量較差。最后，塑料涂料的熱特性很差，因此最好避免使用。在高功率系統(tǒng)中，液體冷卻比空氣冷卻提供更有效的熱傳遞。下表給出了對流傳熱系數的一些典型值。

它們使用中最關鍵的一點之一是設備和散熱器之間的有效熱連接。為此，使用了各種固定方法，例如熱粘合劑、機械固定、焊接和熱粘貼。

PCB散熱器

PCB 散熱器是熱管理的重要組件，因為它們可以有效散熱并防止過熱問題。他們的工作重點是降低電路中安裝的大功率組件的溫度，以將溫度保持在安全工作范圍內，從而提高設備的可靠性和耐用性。 PCB 散熱器采用傳導冷卻方式運行，熱量通過直接接觸從熱器件傳遞到散熱器。它還通過散熱器翅片進行對流冷卻，從而增加了暴露于氣流的表面積。它還通過輻射冷卻進行工作，通過將熱量從翅片傳遞到周圍環(huán)境來釋放電磁輻射。

PCB 散熱器設計涉及不同材料的使用，每種材料都有優(yōu)點和缺點。因此，鋁是首選，因為它非常輕且經濟，與銅一起，具有較高的導熱性，但更重且更昂貴，陶瓷材料，其特點是良好的導熱性和電絕緣性，最后是導熱塑料，具有較低的導熱性。具有導熱性，但可以直接成型在 PCB 上。特別重要的是散熱片，它增加了暴露于氣流的面積。翅片上較高的氣流速度可通過自然對流和強制對流增加散熱。為了改善散熱，可以通過提供更多數量的翅片來增加表面積。此外，可以通過自然通風或強制通風來改善氣流。

電池

在強大的能量傳輸過程中，電池會產生必須散發(fā)的熱量。由于內部發(fā)生化學反應，熱量的產生是不可避免的。該熱量與功率成正比。在電池快速充電(以及放電)過程中，電池中會產生大量熱量。鋰離子電池由于充電和放電過程中發(fā)生的化學反應而產生熱量。在此過程中會產生并積聚熱量，嚴重影響性能、耐用性和安全性。在被動冷卻中，空氣從電池組的外部流向內部，從而冷卻電池組(見圖 3)。當車輛移動時，電池組的熱量被穿過空間的空氣消除，并從另一側排出。

這種方案通常適用于能量密度較低的電池，但在環(huán)境溫度較高且散熱要求較高的情況下，這種技術并不有效。為了改善冷卻，必須添加特殊風扇來提高風速并提高傳熱系數，從而產生更大的氣流。散熱除了冷卻電池本身外，還旨在減少其退化并增加可傳遞的能量，因為電池在高溫下表現不佳。在電池的熱管理中，必須使用溫度傳感器和控制算法來管理主動熱控制。它們可以實時監(jiān)控設備和電池的溫度，以動態(tài)調整風扇速度并優(yōu)化冷卻。

具有高冷卻速率的高效充電電路對于確?？焖侔踩碾姵爻潆娭陵P重要，尤其是電動汽車的大功率充電電路。這些電路采用先進的電子元件和創(chuàng)新的設計技術，以最大限度地減少充電過程中的能量損失。效率是限制能源消耗、最重要的是延長電池壽命的關鍵。高效冷卻至關重要，因為快速充電過程中產生的高電流和高電壓會產生熱量，從而損壞電子元件并影響電池性能。

結論

熱管理是電子電路設計中的一個關鍵方面，特別是對于用于車輛應用的高功率電路。選擇適當的冷卻解決方案，例如安全可靠的散熱器和強制通風系統(tǒng)，對于確保組件的可靠性和使用壽命至關重要。隨著電子設備功率密度的增加，技術的發(fā)展使得熱管理成為越來越重要的挑戰(zhàn)。

然而，材料、冷卻技術和熱控制方面的持續(xù)創(chuàng)新為克服這些挑戰(zhàn)和提高電源電路的性能提供了有希望的機會。電動汽車等行業(yè)從先進的熱管理策略中受益匪淺。能源效率對于最大限度地提高電動汽車的自主性至關重要，它與有效冷卻逆變器、電機和電池組的能力密切相關。投資尖端熱管理解決方案不僅可以提高電子設備的性能和可靠性，還可以為采用 SiC 和 GaN 器件等新興技術鋪平道路，這些技術有望徹底改變電力電子行業(yè)。