电力电子器件常用散热方式及实效

电力电子器件常用散热方式及实效
作者：邢恒玮
来源：《电子技术与软件工程》2018年第19期
摘要
随着电子集成技术的快速发展，电力电子器件不断小型化和集成化，对散热装置的性能提出更高的要求。

文中对电力电子器件常用的几种散热方式进行了介绍，分析了不同散热方式的优缺点和应用效果，具有一定参考意义。

【关键词】电力电子器件散热方式效果
随着电子技术的发展，电力电子器件体积趋于微型化，系统复杂程度不断提高，高热密度不可避免。

为了应对电力电子器件内部产生的高热密度，各种散热手段层出不穷，在众多的散热方式中，选择合理、经济、可靠的散热方式具有重要意义。

1 概述
近年来，电力电子集成技术发展迅速，使得电力电子器件的性能得到提升，维护难度降低，从而大大提高了电力电子器件的应用范围。

现阶段，电力电子器件体积越来越小、功能不断完善，对装置的材料、制造工艺以及电子电路带来了新的挑战，装置内部产生的高热密度制约了电力电子集成技术的发展。

随着技术的发展，对电力电子器件的要求越来越高，电力电子器件不断向集成化、小型化的方向发展，不仅要具有可靠性、灵活性、紧凑性和易维护的特点，还要具有高散热效率，由此，对电力电子器件的散热技术提出了新的更高的要求。

2 常用散热方式及散热效果分析
2.1 风冷翅片散热方式及效果
风冷翅片散热器组成分为翅片散热器和风扇两部分，其中，翅片散热器直接和热源接触，能够将热源发出的热量及时散出去。

风扇通过叶片转动制造给散热器强制对流冷却降温。

风冷翅片散热器的散热效果与其结构密切相关，对风冷散热器的研究目前主要集中在散热器的结构、材料及散热特性上。

风冷翅片散热器的风扇也会影响散热效果，当风扇风速提高时，散热效果就好，随着风速增大，流动阻力也会相应的增大，因此，风速也不易过大，风速超过一定数值后，不仅不能提高散热效果，还会造成电能损耗。

风冷翅片散热方式具有技术成熟、结构简单、安全可靠、价格低廉的特点，是应用最为普遍的散热方式，但是这种散热方式散热效果一般，不能将电子器件内部温度降至室温以下，且风扇转动会产生一定的噪音，风扇使用寿命有限。

2.2 水冷散热方式及散热效果
由于风冷散热能力有限，随着电力电子器件中热流密度升高，对散热方式提出了更高要求，水冷散热方式应运而生。

研究表明，水强制对流的换热系数是气体强制对流换热系数的百倍以上，采用水冷散热方式能够大大提高散热效果。

水冷散热装置通常由散热器、水管及水泵组成。

散热器有进水口和出水口，在散热器内部设计了大量的水道，使其与热源充分接触，带走更多的热源，从而将水冷的优势发挥到极致。

水冷散热装置散热效果好，不会产生振动和噪音，但这种散热装置的缺点是价格昂贵，使用成本高。

散热器中的水处于密闭状态，容易出现变质、结垢等现象，从而影响散热效果。

因此在使用过程中不能出现断水或漏水的情况。

此外，在冷却过程中，水流会不断流动，可能会造成电子器件周围磁场变化，从而影响电子器件工作的稳定性。

2.3 微通道冷却散热方式及效果
微通道冷却技术是在高导热率的材料上设计大量的微通道，微通道直径可到微米级，导热材料的底面与热源接触，将热量通过微通道壁传导到通道内，之后通过强制对流流体将热量散出。

由于微通道直径达到微米级，数量密集，流体与散热器的接触面积显著增大，在微通道内，液体受热会处于一种高度不稳定状态，换热能力大大增强，较空气对流传热能力高出了2个数量级，散热效果大大提升。

这种新的散热方式对微通道的加工要求比较严格，目前研究集中在微通道的结构参数设计上，如翅片长度、翅片间距等，研究这些参数对换热过程及流动阻力的影响，达到提升散热效果的目的。

微通道冷卻技术的微通道截面积小，通道壁升温后，液体通过通道是会迅速升温，由于升温较大，会引起热应力过高或芯片热电不匹配等问题，影响了电力电子器件工作的稳定性。

通过增大流体流速可以达到降温效果，但流体流动会产生较大噪音，通常流体流速不能过大，因此，不能从根本上解决升温的问题。

虽然采用气液相变能够达到降温的效果，但这种方式会使得散热器结构变得异常复杂。

2.4 半导体制冷散热效果
半导体制冷的基本原理是利用珀耳贴效应，该制冷装置由半导体按特殊的结构组成，达到制冷的效果。

通常采用2中不同金属导线组成封闭线路，接通电源后，制冷装置冷端的热量被
转移到热端，使得冷端温度降低，热端温度升高，于是一段吸热，一端放热，达到制冷的效果。

半导体制冷是近年来发展起来的新技术，其具有常规制冷技术不具备的优点，能够适应电力电子器件内部高热流密度的情况，将装置内部温度降到低于室温，由于其采用闭环温控电路，对温度控制精度较高。

由于没有运动部件，工作稳定无噪音，使用寿命长。

但是该制冷方式制冷效率较低，制冷温差较小，还需要进一步加强对半导体材料的研究，进一步提升制冷效果。

2.5 热管散热方式
热管的组成通常包括管壳、多孔毛细管芯及工作介质。

散热过程中，工作介质处于真空状态，通过吸收蒸发段吸收的热量后汽化，在压差的作用下流向冷凝段，在冷凝段放出热量凝结成液体，在多孔毛细管芯抽吸力作用下，凝结的液体从冷凝段回到蒸发段，吸收热源产生的热量，在压差的作用下流向冷凝段，如此反复，达到持续散热的效果。

热管作为一种新的散热方式，具有在较小温差情况下传递较大热量的优点，具有很高的相对导热率，能够达到铜的上百倍。

但是热管具有传热极限，当热量超过热管传热极限时，热管内工作介质会被汽化，使得热管内循环中断，热管不能正常工作。

因此，还需要加强对微型热管的技术研究攻关，不断提升热管的散热效果。

3 结束语
随着电力电子器件不断的小型化、集成化，对散热装置的散热性能提出了更高的要求，推动着冷却技术不断向前发展，冷却方式也不断推陈出新，每一种冷却方式都有各自的优缺点和使用范围，要熟悉和掌握各种冷却方式的特点，针对不同的电力电子器件，选择合理、经济、可靠的散热方式显得尤为重要。

参考文献
[1]陈治明.电力电子器件基础[M].北京：机械工业出版社，1992.。