损耗与散热设计
什么是功率损耗
什么是功率损耗功率损耗是指在能量转换或传输的过程中，由于各种因素的作用导致能量损失的现象。
功率损耗可以发生在各种设备、电路和系统中，影响着能源的有效利用和系统的性能。
1. 定义功率损耗功率损耗是指能量在转换或传输的过程中因阻力、摩擦、电阻、散热等因素而消耗的能量。
它通常以瓦特（W）为单位计量，表示能量转化或传输过程中消耗的速率。
2. 功率损耗的原因2.1 阻力损耗：在机械系统中，当物体运动时，由于摩擦和粘滞阻力的作用，会产生阻力损耗，使能量转换成热能散失。
2.2 电阻损耗：电阻是电流通过导体时产生的阻碍，电阻会引起电能的转化和传输过程中损耗。
常见的电阻损耗包括电线的电阻、电子元器件的电阻等。
2.3 散热损耗：在能量转换或传输过程中，设备内部产生的热量需要散发出去，如果散热不良就会引起能量的损失。
2.4 信号损耗：在通信和电路传输中，信号会受到衰减、干扰和失真等因素的影响，导致信号能量的损失。
2.5 空气阻力：在空气中高速运动的物体会受到空气阻力的作用，导致能量的损耗。
3. 降低功率损耗的方法3.1 设备优化：改进设备的结构和材料，减少摩擦和能量散失。
3.2 散热设计：合理设计散热系统，提高散热效率，降低能量转化过程中的热量损失。
3.3 电路优化：采用低电阻材料，减小电阻损耗；合理选择元器件，降低信号损耗。
3.4 系统优化：优化传输线路、信号放大和补偿技术，降低信号传输过程中的衰减和失真。
4. 功率损耗的影响4.1 能源浪费：功率损耗导致能量的浪费，降低了能源的有效利用率。
4.2 性能降低：功率损耗会导致设备的效率下降，性能受到影响，可能出现故障或性能下降的情况。
4.3 经济成本：功率损耗意味着额外的能源消耗，增加了能源成本的支出。
4.4 环境影响：能源消耗和能量转换中的损耗会导致环境污染，如热污染和二氧化碳排放。
5. 功率损耗的应用与解决方案5.1 可再生能源利用：通过利用可再生能源，如太阳能和风能，可以减少对传统能源的依赖，降低功率损耗。
怎样理解电路中的功率损耗
怎样理解电路中的功率损耗电路中的功率损耗是指电能在电路中转化为其他形式的能量而产生的损耗。
在电路中，电能从电源转化为光能、热能或其他形式的能量，而功率损耗即为转化过程中电能损失的量。
了解和理解电路中的功率损耗对于电路设计和能效优化具有重要意义。
本文将从基本概念、功率损耗的计算和降低功率损耗的方法等方面进行论述。
一、基本概念在电路中，电流通过电阻产生的热量即为功率损耗，通常用单位时间内电能的损耗来表示，即功率。
功率损耗可以分为导线内的损耗和电子元器件内的损耗两部分。
导线内的功率损耗与导线材料的电阻有关，而电子元器件内的功率损耗则与元器件的参数和工作状态有关。
二、功率损耗的计算通过计算功率损耗可以评估电路的能效和性能。
导线内的功率损耗可以通过欧姆定律来计算，即功率等于电流平方乘以电阻值。
对于电子元器件内的功率损耗，需要考虑元器件的参数以及其工作状态。
例如，对于电阻元件，功率损耗可以通过欧姆定律计算；对于电容元件和电感元件，功率损耗可以通过计算元件内部的电压和电流之间的相位差来估算。
三、降低功率损耗的方法降低功率损耗可以提高电路的能效，减少能源消耗。
以下是一些常见的降低功率损耗的方法：1. 选择低电阻材料：导线内的功率损耗与导线的电阻有关，选择电阻较小的导线材料可以降低功率损耗。
2. 进行散热设计：电子元器件在工作时会产生热量，如果不能及时散热，会导致功率损耗增加。
因此，合理设计散热系统，保持元器件的工作温度在允许范围内，可以有效降低功率损耗。
3. 优化电路结构：合理的电路结构设计可以减少功率损耗。
例如，采用串联电路可以降低电流和功率损耗，采用并联电路可以提高电路的能效。
4. 有效利用节能器件：现代电子技术发展迅速，出现了许多节能器件，例如功率放大器、开关电源等，可以帮助降低功率损耗。
总结：电路中的功率损耗是电能转化为其他形式能量时的电能损失量。
了解和理解功率损耗对于电路设计和能效优化非常重要。
通过计算功率损耗和采取适当的降低功率损耗的方法，可以提高电路的能效，减少能源消耗。
损耗与散热设计.doc
第8章 损耗与散热设计开关电源是功率设备，功率元器件损耗大，损耗引起发热，导致元器件温度升高，为了使元器件温度不超过最高允许温度，必须将元器件的热量传输出去，需要散热器和良好的散热措施，设备的体积重量受到损耗限制。
同时，输出一定功率时损耗大，也意味着效率低。
8.1热传输电子元器件功率损耗以热的形式表现出来，热能积累增加元器件内部结构温度，元器件内部温度受最高允许温度限制，必须将内部热量散发到环境中，热量通过传导、对流和辐射传输。
当损耗功率与耗散到环境的功率相等时，内部温度达到稳态。
1. 传导传导是热能从一个质点传到下一个质点，传热的质点保持它原来的位置的传输过程，如图8-1固体内的热传输。
热量从表面温度为T 1的一端全部传递到温度为T 2的另一端，单位时间传递的能量，即功率表示为 T R T l T T A P ∆=-=)(21λ （8-1） 式中 Al R T λ= （8-2） 称为热阻（℃/ W ）；l －热导体传输路径长度(m)；A －垂直于热传输路径的导体截面积(m 2)；λ－棒材料的热导率(W/m ℃)，含90%铝的热导率为220W/ m ℃，几种材料的热导率如表8-1所示;ΔT ＝T 1－T 2温度差(℃)。
例：氧化铝绝缘垫片厚度为0.5mm ，截面积2.5cm 2，求热阻。
解：由表8-1查得λ＝20 W/m ℃，根据式（8-2）得到340.5100.120 2.510t R --⨯==⨯⨯℃/ W 式（8-1）类似电路中欧姆定律：功率P 相当于电路中电流，温度差;ΔT 相当于电路中电压。
半导体结的热量传输到周围空气必然经过几种不同材料传输，每种材料有自己的热导率，截面积和长度，多层材料的热传输可以建立热电模拟的热路图。
图8-2是功率器件由硅芯片的热传到环境的热通路(a)和等效热路(b)。
由结到环境的总热阻为 sa cs jc js RR RR ++= （8-3） 上式右边前两个热阻可以按式（8-2）计算，最后一项的热阻在以后介绍的方法计算。
DCDC变换器热损耗分析与散热系统设计工具
DCDC变换器热损耗分析与散热系统设计工具DCDC变换器是一种常见的电力转换器件，用于将电源中的直流电压转换为所需的电压等级。
然而，这种转换过程通常伴随着热损耗的产生，如果不能有效地散热，可能会导致变换器的过热甚至损坏。
因此，在DCDC变换器的设计过程中，热损耗的分析和散热系统的设计变得至关重要。
热损耗分析是DCDC变换器设计中不可或缺的一步。
热损耗的分析能够帮助工程师们了解电路中的功耗分布，并确定哪些部分会产生较大的热量。
一般来说，DCDC变换器的主要热源包括开关管、电感和电容等元件。
通过对这些元件的热耦合和传导进行深入分析，可以准确计算出它们的热损耗，并进而为散热系统的设计提供依据。
在热损耗分析之后，散热系统的设计就成为了关注的重点。
散热系统的设计需要综合考虑多个因素，如空间限制、散热材料的选择和散热结构等。
首先，根据电路板的尺寸和布局，确定散热器的大小和形状。
然后，选择合适的散热材料，如铝、铜或其他导热性能良好的材料，以提高散热效果。
最后，根据热损耗分析的结果，设计合适的散热结构，如散热片、散热鳍片或导热管等，以增加散热面积和散热效率。
为了更方便地进行DCDC变换器的热损耗分析和散热系统的设计，工程师们通常会使用专门的工具。
这些工具通常包括热仿真软件和散热设计软件。
热仿真软件可以帮助工程师们建立准确的热传导模型，并进行热分析和热仿真，以预测变换器在不同工况下的温度分布。
散热设计软件则可以提供各种散热器的参数选择和设计方案，如散热片的数量和尺寸、风扇的转速和风量等，以满足变换器的散热需求。
综上所述，DCDC变换器的热损耗分析和散热系统的设计是变换器设计过程中十分重要的一环。
通过准确的热损耗分析和合理的散热系统设计，可以有效地避免变换器的过热问题，提高系统的可靠性和稳定性。
同时，借助热仿真软件和散热设计软件等工具，可以帮助工程师们更快、更准确地完成DCDC变换器的设计工作。
总结：本文描述了DCDC变换器热损耗分析与散热系统设计工具的重要性以及设计的基本步骤。
Pcb热设计原则
千里之行，始于足下。
Pcb热设计原则PCB热设计原则是指在PCB设计过程中，考虑到电子元器件的热耗散和散热问题，采取一系列的设计措施，以保证电子器件在工作过程中能够保持稳定的温度，提高系统的可靠性和性能。
下面将从四个方面介绍PCB热设计原则。
一、散热设计散热设计是保证PCB工作稳定的重要措施之一。
在设计时，应尽量减少热量的产生和积聚，通过散热装置将热量有效地散出。
具体措施包括：1. PCB布局时，应合理地布置元器件和散热器，避开集中布置热量较大的元器件。
2. 选择合适的散热材料和散热装置，如散热片、散热鳍片等。
同时，要考虑散热装置与元器件之间的接触良好，以提高散热效果。
3. 加强散热设计时，也要考虑到电磁兼容和机械强度等问题。
避免散热装置对其他元器件产生干扰或破坏。
二、电路布局合理的电路布局能够提高电路的性能和散热效果。
具体措施包括：1. 根据电路的功能需求，合理划分电路板的布局区域，并在不同区域放置相应的元器件。
例如，可以将功耗较大的元器件集中在一起，方便散热。
第1页/共3页锲而不舍，金石可镂。
2. 路线布局时，要尽量缩短导线的长度，减小电阻和电感，降低热量的产生。
3. 多层布局时，要注意在内层布局热量较大的元器件，以避免热量积聚。
三、电源设计电源稳定性是保证系统正常工作的关键因素之一。
电源设计中需要考虑热的因素主要包括：1. 根据系统需求选择合适的电源，以确保电路的功率供应稳定。
2. 对电源元器件进行降温设计，如加装散热片、散热器等。
3. 合理设计电源线路，尽量减小线路的损耗和热量产生。
四、材料选择在PCB热设计中，选择合适的材料能够提高散热效果和电路的可靠性。
具体措施包括：1. 选择导热性能好的基板材料，如高导热薄膜、金属基板等。
2. 选择低温系数的封装材料，以确保元器件在温度变化时不会受到损害。
3. 合理选择元器件的封装形式，如QFN、BGA等封装形式有利于热传导和散热。
总结千里之行，始于足下。
变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计
变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计一、本文概述随着电力电子技术的快速发展，变频器作为电能转换与控制的核心设备，在工业自动化、新能源发电、电动汽车等领域得到了广泛应用。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为变频器的关键功率器件，其性能直接影响到变频器的效率和可靠性。
IGBT模块的损耗计算和散热系统设计是变频器设计中的重要环节，对于提高变频器性能、降低运行成本、延长设备寿命具有重要意义。
本文旨在探讨变频器中IGBT模块的损耗计算方法和散热系统设计原则。
我们将分析IGBT模块的工作原理和损耗产生机制，包括通态损耗、开关损耗等。
在此基础上，我们将介绍损耗计算的数学模型和计算方法，以及如何通过实验手段验证计算结果的准确性。
我们将重点讨论散热系统的设计原则和优化方法，包括散热器结构设计、散热风扇的选择与控制、散热系统的热仿真分析等。
本文将总结一些实际应用中的经验教训，提出针对IGBT模块损耗计算和散热系统设计的优化建议，为变频器设计工程师提供有益的参考。
通过本文的研究，我们期望能够为变频器设计中的IGBT模块损耗计算和散热系统设计提供理论支持和实践指导，推动变频器技术的持续发展和应用创新。
二、IGBT模块损耗计算绝缘栅双极晶体管（IGBT）是变频器中的关键元件，其性能直接影响变频器的效率和可靠性。
IGBT模块的损耗计算是散热系统设计的基础，对于确保变频器的稳定运行具有重要意义。
IGBT模块的损耗主要包括通态损耗和开关损耗两部分。
通态损耗是指IGBT在导通状态下，由于电流通过而产生的热量损耗。
开关损耗则发生在IGBT的开通和关断过程中，由于电压和电流的乘积在时间上的积分不为零，导致能量损失。
通态损耗的计算公式为：Pcond = Icoll * Vce(sat)，其中Icoll 为集电极电流，Vce(sat)为饱和压降。
饱和压降是IGBT导通时电压降的一个重要参数，它与集电极电流、结温和门极电流等因素有关。
svg热损耗计算及散热设计
ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５－５０９Ｘ.２０１９.１２.０１７ＳＶＧ热损耗计算及散热设计张中胜ꎬ于海波ꎬ盛晓东ꎬ刘国伟(南京南瑞继保工程技术有限公司ꎬ江苏南京㊀２１１１０２)摘要:可靠的散热设计是ＳＶＧ产品长期稳定运行的关键ꎬ在详细分析ＩＧＢＴ模块热功耗构成的基础上ꎬ通过ＩＣＥＰＡＫ热仿真软件对某ＳＶＧ产品的整机热设计进行全面优化ꎬ最终实现温升低于３７Ｋ㊁保证ＳＶＧ产品长期稳定运行的控制目标ꎬ并结合实验测试验证了设计数据ꎮ关键词:ＳＶＧꎻ热损耗计算ꎻ离心风机ꎻＩＣＥＰＡＫꎻ风冷散热器中图分类号:ＴＭ７６２㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:２０９５－５０９Ｘ(２０１９)１２－００７６－０４㊀㊀静止无功发生器(ｓｔａｔｉｃｖａｒｇｅｎｅｒａｔｏｒꎬＳＶＧ)依靠大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换ꎮ基本原理是将自换相桥式拓扑电路通过电抗器直接并联在电网上ꎬ通过调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流相位或幅值ꎬ实现动态无功补偿的目的ꎮＳＶＧ系统工作时ꎬ功率器件在开通㊁关断过程中会产生大量的功率损耗ꎬ产生的损耗会以热量的形式耗散出来[１]ꎬ因此能否保证ＳＶＧ系统可靠散热ꎬ对ＳＶＧ系统运行寿命至关重要ꎮ本文以某ＳＶＧ系统为例ꎬ对产品的散热设计进行了较为详细的阐述ꎮ１㊀ＳＶＧ系统介绍无功补偿技术发展历程是一个不断创新㊁发展㊁完善的过程ꎬ如图１所示ꎮ其经历了固定补偿㊁以调压调容(ＶＣＱＶ/ＴＳＣ)的方式进行无功补偿㊁动态无功补偿等阶段ꎮ图１㊀无功补偿技术发展历程图㊀㊀ＳＶＧ系统装置可提供连续快速可调的感性和容性无功ꎬ装置无级动态补偿调节范围大ꎬ响应速度快[２]ꎬ整机响应时间<５ｍｓꎮ同时控制灵活ꎬ可单独补偿电压㊁无功㊁功率因数ꎬ各种模式可无缝切换ꎮＳＶＧ系统完全能满足电网无功补偿及谐波治理的要求ꎬ是目前最先进的无功补偿技术之一ꎮ２㊀功率模块功耗计算在ＳＶＧ系统中ꎬＩＧＢＴ模块是控制整个系统关断㊁整流逆变的核心器件ꎬＳＶＧ系统运行时ＩＧＢＴ模块会产生大量的热量ꎬ是ＳＶＧ系统损耗的主要来源ꎮＩＧＢＴ模块损耗包括通态损耗和开关损耗ꎬ将ＩＧＢＴ的输出特性曲线运用线性化思想近似为一条直线ꎬ由于开关过程分为开通㊁关断和恢复３个时刻[３]ꎬ因此相应地将ＩＧＢＴ模块的总损耗分为４部分ꎬ即通态损耗㊁开通损耗㊁关断损耗和恢复损耗ꎮ本文所述ＳＶＧ系统的工作参数见表１ꎮ表１㊀ＳＶＧ系统工作参数参数数值额定集电极电流ＩＣＮ/Ａ６５０ＳＶＧ额定电流ＩＣＱ/Ａ４６２额定压降ＶＣＥＮ/Ｖ１.６额定的开通时间ｔｒＮ/μｓ０.１２额定关断时间ｔｆＮ/μｓ０.５７反向恢复时的额定峰值电流ＩｒｒＮ/Ａ６５３续流二极管反向恢复时间ｔｒｒＮ/μｓ０.５０ＩＧＢＴ开启电压ＶＣＥ０/Ｖ１.０续流二极管门槛电压ＶＦ０/Ｖ１.０集电极峰值电流ＩＣＭ/Ａ６５３集电极电压Ｖｃｃ/Ｖ１０００开关频率ｆｓ/Ｈｚ４５０㊀㊀把各个参数数值代入损耗计算公式ꎬ得到ＩＧ￣ＢＴ模块各部分损耗值如下ꎮ收稿日期:２０１８－０６－２９作者简介:张中胜(１９８５ )ꎬ男ꎬ工程师ꎬ硕士ꎬ主要从事电力系统一次设备的结构设计工作ꎬｚｈａｎｇｚｓ＠ｎａｒｉ－ｒｅｌａｙｓ.ｃｏｍ.６７ ２０１９年１２月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｄｅｃ.２０１９第４８卷第１２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４８Ｎｏ.１２㊀㊀１)通态损耗Ｐｆｗ/ＶꎮＰｆｗ/Ｖ＝１２πʏπ０νＣＥｉＣδｄα＝１２πʏπ０(ＶＣＥ０＋ｒＣＥｓｉｎα)ˑ(ＩＣＭｓｉｎα)ˑ{１２[１＋Ｍｓｉｎ(α＋θ)]}ｄα＝(１８＋Ｍｃｏｓθ３π)ＶＣＥＮ－ＶＣＥＯＩＣＮＩ２ＣＭ＋(１２π＋Ｍｃｏｓθ８)ˑＶＣＥ０ＩＣＭ＝２３２Ｗ式中:νＣＥ为ＩＧＢＴ的通态电压ꎻδ为占空比ꎻｉＣ为集电极电流ꎻｒＣＥ为通态电阻ꎻＭ为调制度ꎻθ为电压和电流之间的相角ꎻα为调制角度ꎮ２)开通损耗ＰｏｎꎮＰｏｎ＝１８ＶｃｃｔｒＮＩ２ＣＭＩＣＮｆｓ＝４.５Ｗ３)关断损耗ＰｏｆｆꎮＰｏｆｆ＝ＶｃｃＩＣＭｔｆＮｆｓ(１３π＋１２４ＩＣＭＩＣＮ)＝２５Ｗ４)恢复损耗Ｐｒｒꎮ开通ＩＧＢＴ时其集电极电流达到ｉＣ后会继续上升ꎬ一直达到峰值后再下降到ｉＣꎬ因此会出现一段超调量ꎮＰｒｒ＝ｆｓＥｏｆｆ＝ｆｓＶｃｃ{[０.２８＋０.３８ＩＣＭπＩＣＮ＋０.０１５ˑ(ＩＣＭＩＣＮ)２]ˑＩｒｒＮｔｒｒＮ２＋(０.８π＋０.０５ＩＣＭＩＣＮ)ＩＣＭｔｒｒＮ}＝７５Ｗ式中:Ｅｏｆｆ为功率谱密度ꎮ综上ꎬ１个ＩＧＢＴ模块由４个ＩＧＢＴ器件(注:本文所述的１个ＩＧＢＴ模块封装中含有２个ＩＧＢＴ器件)和１个电阻组成ꎬ电阻损耗值为１００Ｗꎬ所以单模组总的热损耗ＰＩＧＢＴ为:ＰＩＧＢＴ＝２ˑ２ˑ(Ｐｆｗ/Ｖ＋Ｐｏｎ＋Ｐｏｆｆ＋Ｐｒｒ)＋１００＝１４４６Ｗ３㊀散热仿真计算３.１㊀冷却方式选择对于ＳＶＧ等大功率大损耗系统ꎬ自然冷却是无法满足设计需求的ꎮ常规的强迫冷却方式主要有风冷㊁水冷和油冷ꎮ鉴于水冷和油冷成本高ꎬ维护工作量大等原因ꎬ本文采用强迫风冷[４]进行系统冷却ꎮＳＶＧ功率单元在柜体内呈阵列放置ꎬ为保证功率单元的风量均匀性ꎬ选用离心风机进行抽风冷却ꎮ３.２㊀结构描述图２为ＳＶＧ散热器热源分布图ꎬ其中２个ＩＧ￣ＢＴ模块和１个电阻安装在散热器上组成散热器组件ꎮ散热器组件和电容㊁控制板卡等共同组成ＳＶＧ功率单元ꎬ如图３所示ꎮ６个功率单元分３层放置于１个功率柜体内ꎬ功率柜后侧安装１个离心风机ꎬＳＶＧ功率柜结构如图４所示ꎮ图２㊀ＳＶＧ散热器热源分布图㊀图３㊀ＳＶＧ功率单元结构３.３㊀热仿真计算模型搭建根据２中计算的损耗结果ꎬ结合ＩＧＢＴ模块和电阻尺寸ꎬ散热器尺寸选定为２６０ｍｍˑ３８０ｍｍˑ１００ｍｍꎬ材质选用常规的６０６１ꎬ单齿厚度１.５ｍｍꎬ相邻齿中心距为４ｍｍꎮ根据允许温升和理论计算的功率损耗ꎬ本散热器的热阻为:热阻＝温升损耗＝３７１４４６＝０.０２６Ｋ/Ｗ在ＩＣＥＰＡＫ软件中建立散热器组件模型和功率柜模型[５]ꎬ如图５和图６所示ꎮ㊀图４㊀ＳＶＧ功率柜结构㊀㊀㊀图５㊀ＩＣＥＰＡＫ软件中散㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀热器组件模型图６㊀ＩＣＥＰＡＫ软件中ＳＶＧ功率柜模型７７ ２０１９年第１２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张中胜:ＳＶＧ热损耗计算及散热设计３.４㊀风机选型影响散热器性能的主要因素有散热器体积㊁热源位置㊁热源热密度以及风量ꎮ其中ꎬ风量与风机性能直接相关ꎮ风机选型和散热器的设计往往是相互依赖㊁相互调整㊁相互仿真适配的过程ꎮ柜体风道路径复杂ꎬ功率单元数量多ꎬ对风量要求高ꎬ对不同散热器的风冷均匀性要求较高ꎮ综合以上几点ꎬ离心风机更适合ＳＶＧ类产品ꎮ经过对ＥＢＭ厂家离心风机规格参数的研究ꎬ选择Ｒ３Ｇ－４００－ＡＱ２３型号风机ꎬ风量风压曲线如图７所示ꎮ图７㊀Ｒ３Ｇ－４００－ＡＱ２３风量风压曲线㊀㊀通过ＩＣＥＰＡＫ仿真模型计算ꎬ可以得到各个功率单元风量分布ꎬ如图８所示ꎮ图８㊀各功率单元风量分布图㊀㊀风量计算结果表明ꎬ单个散热器的风量最小为３５０ＣＦＭꎬ环境温度设定为４０ħꎬ利用此边界条件计算单个散热器的温升ꎬ散热器仿真计算结果温度分布如图９所示ꎮ㊀㊀由图可知ꎬＲ３Ｇ－４００－ＡＱ２３风机下散热器的最高温度为７５.８ħꎬ满足设计需求ꎮ图９㊀散热器仿真计算结果温度分布云图４㊀试验为了验证仿真结果的可靠性ꎬ本文对所设计散热器进行试验验证.试验分两步:第一步ꎬ测试单个散热器散热能力ꎻ第二步ꎬ进行工程现场测量ꎬ即在ＳＶＧ满功率运行状态下测试散热器散热能力ꎮ通过和仿真计算值进行对比ꎬ验证热设计的正确性ꎮ４.１㊀散热器试验在单个散热器实验测量中ꎬ使用可加热铜块代替ＩＧＢＴ模块ꎬ铜块外形尺寸和ＩＧＢＴ尺寸相同ꎬ紧固螺钉也相同ꎮ每个可加热铜块通过单独的直流源装置控制功耗ꎬ风量定为３５０ＣＦＭꎮ在散热器上特定的点布置两个热电耦ꎬ进行温度值测试采集ꎮ待系统稳定后(各测点温度值的变化稳定在１ħ范围内)ꎬ进行测量读数ꎮ测试时环境温度为２４ħꎬ试验针对监测点仿真温升与实测温升进行对比ꎬ相关结果见表２ꎮ表２㊀仿真温升与实测温升对比表实测温升/ħ仿真温升/ħ误差/ħ监测点１３３.０３５.１２.１监测点２３４.６３５.８１.２㊀㊀由表２可知ꎬ实测温升与仿真温升的误差在３ħ以内ꎬ即误差在允许范围内ꎬ说明仿真数据是可靠的ꎮ４.２㊀实机满功率试验为进一步验证仿真的可靠性ꎬ选择在工程现场进行测试ꎮ需要指出的是ꎬ产品测温设备采用常规的ＰＴ１００设备ꎬ如图１０所示ꎮ由于其有一定的体积且需要与功率单元其他零件接线ꎬ因此ＰＴ１００设备并不能放置到ＩＧＢＴ的正下方ꎬ选择将ＰＴ１００放置于两个ＩＧＢＴ中间仿真温度最高的地方ꎮ新疆地区某ＳＶＧ工程现场温度监控结果如图１１所示ꎮ８７２０１９年第４８卷㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图１０㊀ＰＴ１００设备㊀㊀图１１㊀新疆地区某ＳＶＧ工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀现场温度监控图㊀㊀采集时间为２０１６年１２月２４日凌晨３点ꎬ环境温度为－２ħꎮ仿真温升与系统实测温升对比结果见表３ꎮ表３㊀仿真温升与系统实测温升对比表ＳＶＧＡ相功率单元实测温度/ħ温升/ħ仿真温升/ħ仿真与实测差值/ħ功率单元１２８３０３１.９１.９功率单元２２７２９３１.２２.２功率单元３２７２９３２.０３.０功率单元４２７２９３１.５２.５功率单元５２７２９３１.１２.１功率单元６２７２９３１.０２.０平均值２７.２２９.２３２.１２.９㊀㊀从表３可以看出ꎬ仿真温升和实测温升误差在３ħ以内ꎮ考虑到热电耦的传递损耗热阻等因素ꎬ可以认为针对ＩＧＢＴ损耗的热设计是可靠㊁准确的ꎮ５㊀结论本文通过功耗计算㊁热仿真㊁试验测试等工作ꎬ完成了整个ＳＶＧ产品的热设计ꎬ计算结果表明:１)推导计算出的ＩＧＢＴ器件损耗是正确的ꎮ２)仿真计算数据与实测数据的误差在ʃ１０％范围内ꎬ仿真计算的结果可以有效指导散热器的设计ꎬ提升产品研发效率ꎮ３)所设计的散热器可有效控制ＩＧＢＴ模块的温升ꎬ满足ＳＶＧ散热设计的目标ꎮ参考文献:[１]㊀张明元ꎬ沈建清ꎬ李卫超ꎬ等.一种快速ＩＧＢＴ损耗计算方法[Ｊ].船电技术ꎬ２００９ꎬ２９(１):３３－３６.[２]㊀李超ꎬ崔大明ꎬ侯庆雷.关于电力系统动态无功功率优化调度的探讨[Ｊ].科技传播ꎬ２０１５(１８):４６ꎬ５６.[３]㊀杜毅ꎬ廖美英.逆变器中ＩＧＢＴ模块的损耗计算及其散热系统设计[Ｊ].电气传动自动化ꎬ２０１１ꎬ３３(１):４２－４６. [４]㊀郭永生ꎬ王志坚.大功率器件ＩＧＢＴ散热分析[Ｊ].山西电子技术ꎬ２０１０(３):１６－１８.[５]㊀毛志云ꎬ王艳ꎬ姚志国ꎬ等.基于ＩＣＥＰＡＫ的ＳＶＧ功率柜散热系统分析[Ｊ].电气技术ꎬ２０１６(１):７２－８６.ＳＶＧｈｅａｔｌｏｓｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎＺｈａｎｇＺｈｏｎｇｓｈｅｎｇꎬＹｕＨａｉｂｏꎬＳｈｅｎｇＸｉａｏｄｏｎｇꎬＬｉｕＧｕｏｗｅｉ(ＮａｎｊｉｎｇＮＲＪｉｂａｏＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＪｉａｎｇｓｕＮａｎｊｉｎｇꎬ２１１１０２ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｉｓａｋｅｙｆａｃｔｏｒｗｈｉｃｈａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｌｏｎｇ￣ｔｅｒｍｒｅｌｉａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＳＶＧｐｒｏｄ￣ｕｃｔｓ.ＯｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆＩＧＢＴｍｏｄｕｌｅｓꎬｉｔｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｏｐｔｉｍｉｚｅｓｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆａＳＶＧｐｒｏｄｕｃｔｗｉｔｈＩＣＥＰＡＫｓｏｆｔｗａｒｅꎬｒｅａｌｉｚｅｓｔｈａｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎ３７Ｋ.Ｔｈｉｓｅｎｓｕｒｅｓｔｈｅｌｏｎｇ￣ｔｅｒｍｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＳＶＧｐｒｏｄｕｃｔｓ.Ｔｈｅｐａｐｅｒｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅｓｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈｅａｂｏｖｅｄｅｓｉｇｎｄａｔａ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＳＶＧꎻｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｍａｌｌｏｓｓꎻｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｆａｎꎻＩＣＥＰＡＫꎻａｉｒｃｏｏｌｅｄｒａｄｉａｔｏｒ９７２０１９年第１２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张中胜:ＳＶＧ热损耗计算及散热设计。
MOSFET的设计与损耗计算
MOSFET设计选择 / 损耗组成及计算方法2007年04月17日星期二 22:10一、设计选择MOSFET 的应用选择须综合各方面的限制及要求。
下面主要从应用的安全可靠性方面阐述选型的基本原则。
建议初选之基本步骤：下面详细解释其中各参数选择之原则及注意事项。
1 ）电压应力：在电源电路应用中，往往首先考虑漏源电压 VDS的选择。
在此上的基本原则为 MOSFET 实际工作环境中的最大峰值漏源极间的电压不大于器件规格书中标称漏源击穿电压的 90% 。
即：VDS_peak≤ 90% * V(BR)DSS注：一般地， V(BR)DSS具有正温度系数。
故应取设备最低工作温度条件下之V(BR)DSS值作为参考。
2）漏极电流：其次考虑漏极电流的选择。
基本原则为 MOSFET 实际工作环境中的最大周期漏极电流不大于规格书中标称最大漏源电流的 90% ；漏极脉冲电流峰值不大于规格书中标称漏极脉冲电流峰值的 90% 即： ID_max ≤ 90% * IDID_pulse ≤ 90% * IDP注：一般地， ID_max 及 ID_pulse具有负温度系数，故应取器件在最大结温条件下之 ID_max 及 ID_pulse值作为参考。
器件此参数的选择是极为不确定的—主要是受工作环境，散热技术，器件其它参数（如导通电阻，热阻等）等相互制约影响所致。
最终的判定依据是结点温度（即如下第六条之“耗散功率约束”）。
根据经验，在实际应用中规格书目中之 ID会比实际最大工作电流大数倍，这是因为散耗功率及温升之限制约束。
在初选计算时期还须根据下面第六条的散耗功率约束不断调整此参数。
建议初选于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max。
3）驱动要求：MOSFEF 的驱动要求由其栅极总充电电量（ Qg ）参数决定。
在满足其它参数要求的情况下，尽量选择 Qg 小者以便驱动电路的设计。
驱动电压选择在保证远离最大栅源电压（ V GSS ）前提下使 Ron 尽量小的电压值（一般使用器件规格书中的建议值）。
200w电源模块的发热温度
200w电源模块的发热温度200W电源模块的发热温度是指在正常工作状态下，该电源模块产生的热量所导致的最高温度。
这个温度对于电源模块的安全性和可靠性非常重要，因为过高的温度可能导致电源模块损坏、降低效率甚至发生故障。
要了解200W电源模块的发热温度，需要考虑以下几个方面：1. 功率损耗：200W电源模块的发热主要来源于功率转换过程中的功率损耗。
这些功率损耗包括开关元件的导通和截止过程中的能量损耗、电源模块内部的线路阻抗引起的导线损耗、电源变压器的铜耗和铁耗等。
这些损耗会产生热量，从而使电源模块的温度上升。
2. 散热设计：200W电源模块的散热设计对于控制发热温度至关重要。
散热设计包括散热器的选择和布置、散热风扇的使用、电源模块的散热面积和导热材料的选择等。
优秀的散热设计可以将电源模块的温度维持在一个较低的范围内，提高其工作效率和寿命。
3. 环境温度：环境温度也对200W电源模块的发热温度产生影响。
如果周围环境的温度较高，电源模块的散热效果会下降，进而导致发热温度升高。
因此，在考虑电源模块发热温度时，需要考虑环境温度的因素。
根据以上因素，不同类型的200W电源模块的发热温度可能有所不同。
比如对于低压差线性稳压器电源模块，其发热量较低，一般工作温度在30-60摄氏度；而对于开关型电源模块，发热量较高，工作温度可能高达80-100摄氏度。
一般来说，在设计200W电源模块时，通常会进行详细的热分析和计算，确定电源模块在不同工作条件下的发热温度。
通过使用热敏元件和温度传感器，可以监测电源模块的温度，并根据需要进行散热设计的调整。
除了上述因素，还需要考虑电源模块使用的工作时间长短、负载状态、负载变化频率等因素对发热温度的影响。
例如，如果电源模块处于高负载状态，并且负载变化频率较高，那么电源模块的功率损耗和发热温度都会增加。
总结起来，200W电源模块的发热温度是由功率损耗、散热设计和环境温度等因素共同决定的。
IGBT损耗计算及其散热设计
PT：为器件的平均功耗（ ）；
TC：IGBT模块的基版温度，通过IGBT模块的接触热阻Rth(c-k)，可从散热器的设计温度或测量温度计算得到。这样就可以核算出设计的散热器是否合理，若Tj≤125℃，即为你的热设计合理。通常情况下，散热器的最高温度TK≤80℃时，结温Tj≤125℃就可以满足。
通常，IGBT的数据手册会给出E(on)、E(off)与IC的关系曲线，因此根据IGBT中流过的电流值，查曲线可得出E(on)、E(off)，再通过上述公式，可得到平均开关损耗，进而可得到每个IGBT的总平均功耗：
2.3
与IGBT反并联的续流二极管的损耗可以近似的通过数据手册中，查二极管的通态压降VF，与估算二极管的平均电流ID相乘得到，即：
IGBT损耗计算及其散热设计
1IGBT损耗分类1
2损耗计算1
2.1IGBT通态损耗计算2
2.2IGBT开关损耗计算2
2.3FWD的导通损耗2
2.4FWDቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ开关损耗2
3英飞凌IPOSIM6中损耗计算方法2
4IGBT结温计算4
4.1热阻4
4.2结温计算4
5散热器设计5
6NTC电阻的使用5
6.1使用模拟方法用获得NTC测量的温度5
由于续流二极管的截止损耗占总损耗的一小部分，所以亦被忽略了。它也有同IGBT模块同样的限制。正向恢复过程导致了开通损耗，在快速二极管中这一损耗也是微不足道的，可以被忽略。续流二极管的导通损耗取决于:负载电流(正向导通特性曲线VF=f(IF))、结层温度、占空比；对于给定的同续流二极管换流的IGBT的参数和被忽略的寄生元素(LS)，关断损耗取决于:负载电流、直流母线电压、结层温度，开关频率，总损耗的计算公式如下:
换热器的散热损失率
换热器的散热损失率
首先，换热器的设计对散热损失率有很大影响。
换热器的结构
和尺寸会直接影响散热损失率。
合理的设计可以减小散热损失率，
提高换热效率。
例如，采用有效的绝热材料和优化的结构设计可以
减小换热器的散热损失率。
其次，换热器所使用的材料也会影响散热损失率。
热传导系数
高的材料可以减小换热器的散热损失率，而且耐高温、耐腐蚀的材
料可以提高换热器的稳定性，减小能源损耗。
此外，换热器的工作条件也会对散热损失率产生影响。
例如，
换热器的工作温度、压力、流体流速等参数都会对散热损失率产生
影响。
在实际运行中，合理控制这些工作条件可以有效降低换热器
的散热损失率。
总之，换热器的散热损失率是一个综合性的参数，受到多方面
因素的影响。
为了减小换热器的散热损失率，需要从设计、材料、
工作条件等多个方面进行综合考虑和优化。
只有综合考虑这些因素，才能有效地降低换热器的散热损失率，提高能源利用效率。
变频器损耗计算及散热分析
变频器损耗计算及散热分析作者：杨斌韩飞来源：《科技风》2017年第03期摘要：变频器的损耗计算和散热，是比较重要的两项内容，分析好损耗与散热，才能保证变频器的有效性，避免增加变频器的能耗。
本文主要结合变频器运行，探讨损耗计算与散热。
关键词：变频器；损耗计算；散热随着我国经济事业的发展，能耗以及能源价格等，也得到了明显的提升，直接增加了企业的消耗成本。
基于节能降耗的思想，变频器方面，提高了对损耗计算以及散热分析的重视度，一方面研制节能降耗型的变频器，另一方面提高维护变频器的性能，延长其在行业中的使用寿命，避免变频器运行中出现安全问题。
一、变频器的系统分析（一）环境设定变频器的机箱外部，如环境温度是35℃，而空气之间的换热系数，就要设计成5W/m2·K，絮流的气流状态，速度是0.5m/s，按照变频器的系统设计，求出环境设定的数值，其中求解过程中，箱体的体系是定义的10倍，迭代求解的次数是400。
（二）建立模型变频器的损耗计算与散热分析中，构建系统化的模型，包括变频器建模、散热器建模以及风扇建模，目的是利用建模实现变频器的准确研究[ 1 ]。
例如：变频器的系统建模，会根据实际变频器的参数，输入到模型中，如变频器的底面，选用铝或铜的材料，厚度是3mm，等，在建模后，变频器的一面，必须紧紧贴着散热器，散热器的建模中，选用的是肋片结构，每个肋片的间距是7mm，根部的厚度，保持在15mm，可使用的规格为675.6mm×652mm×73mm。
（三）划分网格变频器系统中，通过网格规划，研究散热器与热源的关系，可以使用粗糙网格的方式，规划好变频器系统中对应的网格，加强整体网格划分后的分布与控制情况，规避网格划分中潜在的误差，进而优化变频器的系统研究。
二、变频器的损耗计算变频器损耗计算时，需要建立相关的损耗模型，根据变频器的各个开关，构建复杂的数学模型，期间涉及到大规模的计算量[ 2 ]。
大功率三电平变频器损耗计算及散热分析
2011年2月电工技术学报Vol.26 No. 2 第26卷第2期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb. 2011大功率三电平变频器损耗计算及散热分析景巍谭国俊叶宗彬（中国矿业大学信息与电气工程学院徐州 221008）摘要准确计算功率器件损耗可优化变频器的散热设计。
功率器件的导通和开关特性对温度比较敏感，损耗计算必须考虑结温的影响。
本文分析了中点钳位式（NPC）三电平变频器功率器件导通和开关规律，在此基础上建立了一套实用的损耗计算方法。
通过热阻等效电路计算了功率器件的结温。
对一台1MVA NPC三电平变频器在逆变和整流两种典型工况下进行了试验分析，采用红外热成像仪对功率器件的温度进行测量，计算和测量结果误差率在5%以内，验证了损耗计算的准确性。
关键词：三电平变频器 IGBT模块损耗结温散热热阻中图分类号：TM464Losses Calculation and Heat Dissipation Analysis ofHigh-Power Three-Level ConvertersJing Wei Tan Guojun Ye Zongbin（China University of Mining and Technology Xuzhou 221008 China）Abstract Thermal design of the converter can be optimized if the power losses are precisely known. The device’s conduction and switching characteristics are very sensitive to the temperatures, so the influence of junction temperatures must be taken into consideration when calculating the power losses. In this paper, a practical loss calculation method is derived based on the analysis of the conduction and switching principles of the neutral point clamping three-level converters. Using thermal resistance equivalent circuit, the devices junction temperatures are acquired. An 1MVA NPC converter is tested in inverter and rectifier operating modes, and the infrared thermal imager is used to measure the devices temperatures. The error rates between measured and calculated temperatures are within 5% range and thus the validity of the loss calculation method is verified.Keywords：Three-level converter, IGBT module, loss, junction temperature, heat dissipation, thermal resistance1引言大功率变频器采用多电平技术可有效地降低变频器输出电压的谐波成分，改善其输出性能[1]。
MOSFET的设计与损耗计算
MOSFET的设计与损耗计算MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种最常用的功率开关器件，广泛应用于电子设备和电力电子系统中。
MOSFET的设计和损耗计算是确保器件正常工作和提高系统效率的重要步骤。
本文将详细介绍MOSFET的设计和损耗计算。
一、MOSFET的设计1.选择合适的MOSFET型号：根据应用需求，选择具有合适电压和电流能力的MOSFET。
常见的参数包括漏源电压VDS、漏流电流ID、开关时间等。
此外，还应考虑MOSFET的导通电阻和关断电压等参数。
2. 确定工作温度：MOSFET的温度特性会影响其性能和可靠性。
因此，需要确定MOSFET在实际工作条件下的最大温度。
通常，MOSFET的最大结温（Tjmax）是一个关键参数。
3.选择散热器：根据MOSFET的功率损耗和最大结温，选择合适的散热器来保持器件温度在安全范围内。
散热器的选择应考虑散热能力、尺寸和成本等因素。
4.确定驱动电路：MOSFET需要驱动电路来控制其导通和关断。
驱动电路应具有足够的电流和电压能力，并能提供适当的信号波形。
常见的驱动电路包括晶体管驱动器和集成电路驱动器。
5.进行电流和功率计算：根据应用需求，计算MOSFET的电流和功率。
电流计算需要考虑导通电阻和开关时间，而功率计算则需要考虑导通和关断过程中的损耗。
二、MOSFET的损耗计算1.导通损耗：MOSFET在导通状态下会有导通电阻的损耗。
导通损耗可以通过以下公式计算：Pcond = I^2 * RDS(on)其中，Pcond为导通损耗，I为电流，RDS(on)为导通电阻。
2.关断损耗：MOSFET在关断状态下会有开关过程中的损耗。
关断损耗可以通过以下公式计算：Psw = 0.5 * VDS * ID * f其中，Psw为关断损耗，VDS为漏源电压，ID为漏流电流，f为开关频率。
3.开关损耗：开关损耗是指MOSFET在开关过程中由于导通和关断之间的过渡所引起的能量损耗。
减少铁芯损耗的方法
减少铁芯损耗的方法铁芯损耗是指在变压器等电力设备中，铁芯材料在磁化过程中产生的能量损耗。
铁芯损耗会导致设备的能效降低，增加能源的消耗，同时还会产生较大的热量，影响设备的运行稳定性。
因此，减少铁芯损耗是电力设备设计和运行中的重要课题之一。
下面我将介绍几种常见的减少铁芯损耗的方法。
1. 选择合适的铁芯材料：铁芯材料的选择对于减少铁芯损耗至关重要。
常见的铁芯材料有硅钢片、镍铁合金等。
硅钢片具有较低的磁滞损耗和涡流损耗，是目前应用最广泛的铁芯材料之一。
而镍铁合金具有更低的涡流损耗，适用于高频电力设备。
根据具体的应用需求，选择合适的铁芯材料可以有效降低铁芯损耗。
2. 优化铁芯结构：铁芯的结构也会对损耗产生影响。
在设计过程中，可以通过优化铁芯的形状和尺寸，减小漏磁通和磁阻，从而降低铁芯损耗。
例如，在变压器的铁芯设计中，采用环形或矩形截面的铁芯，可以减小铁芯的磁阻，降低损耗。
3. 控制磁通密度：磁通密度是指单位面积上通过的磁通量。
在设计和运行过程中，合理控制磁通密度可以有效减少铁芯损耗。
过高的磁通密度会导致铁芯磁化过程中的能量损耗增加，而过低的磁通密度则会降低设备的能效。
因此，需要根据具体的应用需求，选择合适的磁通密度。
4. 降低工作频率：工作频率也是影响铁芯损耗的重要因素之一。
通常情况下，较低的工作频率会导致较低的涡流损耗，从而减少铁芯的能量损耗。
因此，在设计和运行电力设备时，可以适当降低工作频率，以减少铁芯损耗。
5. 合理散热设计：铁芯损耗会产生大量的热量，如果不能及时散热，会导致设备温度升高，进而影响设备的性能和寿命。
因此，在设计电力设备时，需要合理设计散热系统，确保及时有效地散热，降低铁芯损耗对设备的影响。
总结起来，减少铁芯损耗的方法包括选择合适的铁芯材料、优化铁芯结构、控制磁通密度、降低工作频率以及合理散热设计。
通过合理应用这些方法，可以降低铁芯损耗，提高电力设备的能效，减少能源消耗，同时也有助于提高设备的运行稳定性和寿命。
大型电机的损耗、发热和冷却
大型电机的损耗、发热和冷却摘要大型发电机是电网的主要设备之一，是电能的直接生产者。
大型电机的发展在整个国民经济的发展中占有重要地位。
从电力生产，电网运行、管理的经济性和供电质量来看，电网中主力机组的单机容量应与电网总容量维持一定的比例，例如6～8%。
单机容量越大，则单位容量成本下降，材料消耗降低，其经济性能就越好。
但增加容量势必要增加电机的损耗，同时电机的发热和温升也会上升，如何降低损耗、加强冷却系统，也就成为如何提高出力时必须解决的问题，本文着重在这几个方面做一些分析和探讨。
关键词电机损耗；大型电机温升；大型电机冷却方式一、引言电机容量的提高主要通过增大电机的线性尺寸和增加电磁负荷两种途径实现。
然而增大线性尺寸同时会增大损耗(因为电机的损耗是与线性尺寸的三次方成正比)，造成电机效率下降。
而增加磁负荷，由于受到磁路饱和的限制也很难实现。
所以提高单机容量的主要措施就在于增加线负荷了。
但增加线负荷就同时会增加线棒铜损，线圈的温度将增加，可能达到无法容许的程度。
这时就必须采用强化冷却技术，以提高散热强度，从而将电机各部分的温升控制在允许范围内，才能保证电机安全可靠地运行。
所以冷却技术的进步是电机向大容量发展的保证。
电机的冷却方式分为气冷和液冷两大类。
气冷的冷却介质包括空气和氢气。
液冷的介质有水、油及蒸发冷却所使用的氟里昂类介质及新型无污染化合物类氟碳介质。
汽轮发电机所采用的冷却方式较为丰富，包括空冷、氢冷、水冷、油冷及蒸发冷，以下将从损耗、温升和冷却方式两个方面来作展开。
二、电机的损耗2.1 关于电机的损耗异步电机中的损耗主要由下列五部份组成：1.定子绕组中电流通过所产生的铜耗（PCu1）；2.转子绕组中电流通过所产生的导体（铝或铜）损耗（PCu2）；3.铁心中磁场所产生的涡流和磁滞损耗（PFe）；4.由于风扇和轴承转动所引起的通风和摩擦损耗（Pfw）；5.由气隙磁场高次谐波所产生的负载杂散损耗（Ps）。
分合闸电磁铁的热分析与散热设计
分合闸电磁铁的热分析与散热设计电磁铁是一种常用的电磁装置，在电力系统中被广泛应用于控制分合闸操作。
在高电流和频繁操作的情况下，分合闸电磁铁会产生大量的热量，这会影响其性能和寿命。
因此，对分合闸电磁铁的热分析和散热设计至关重要。
本文将对该问题进行深入探讨。
1. 热分析分合闸电磁铁在工作过程中会产生热量，主要源自线圈电流和铁芯磁滞损耗。
该部分热量会导致电磁铁温度升高，进而影响其性能和寿命。
因此，进行热分析是了解电磁铁工作状况的基础。
为了进行热分析，首先需要获取分合闸电磁铁的热特性参数，包括热电阻、层流通风系数和热容。
根据电磁铁的尺寸和材料，可以通过实验或模拟计算的方法获得这些参数。
然后，可以利用热传导方程和热平衡方程建立分合闸电磁铁的热分析模型。
最后，通过求解模型得到电磁铁的温度分布和热量损耗等信息。
2. 散热设计为了降低分合闸电磁铁的温度，提高其性能和寿命，必须进行有效的散热设计。
散热设计的目标是提高电磁铁的散热效率，并确保其温度在可接受范围内。
常见的散热设计方法包括自然对流散热和强制对流散热。
自然对流散热依靠自然空气流动，适用于小型电磁铁。
强制对流散热则需要通过风扇或冷却器等外部装置来增加空气流动，适用于大型电磁铁。
在散热设计中，应考虑电磁铁的外壳结构、散热面积和散热介质等因素，并确定合适的散热方式。
此外，还可以通过改进电磁铁的结构和材料来提高散热效果。
例如，可以采用优良的热导材料和散热结构，增加散热面积和散热通道，以提高散热效率。
同时，还应注意合理布置电磁铁的通风孔和散热板，以便于热量的快速释放。
3. 热分析与散热设计的应用热分析和散热设计在分合闸电磁铁的设计和应用中起着重要作用。
通过热分析可以得到电磁铁的工作温度和热量损耗等信息，为散热设计提供基础数据。
散热设计则可以根据热分析结果确定最佳的散热方式和参数，以保证电磁铁的正常运行。
在实际应用中，需要根据电磁铁的工作条件和要求进行热分析和散热设计。
降低功率损耗的方法
降低功率损耗的方法随着科技的发展，电力在我们的生活中扮演着重要的角色。
然而，电力的供应和消耗也伴随着一定的功率损耗。
为了提高能源利用效率和减少电力浪费，我们需要采取一些方法来降低功率损耗。
本文将介绍一些降低功率损耗的方法。
1. 优化电路设计：在设计电路时，合理选择元件和电路拓扑结构，以减少功率损耗。
例如，可以选择低功耗的元件，降低电路的静态功耗；合理布局电路板，减少电路的串扰和功率损耗；采用高效的电源管理策略，降低电源供应的功耗等。
2. 降低电压和电流：功率的损耗与电压和电流的平方成正比。
因此，降低电压和电流是降低功率损耗的有效途径。
可以通过使用低电压、高效率的电源和驱动器来实现。
此外，还可以采用降压和节流措施，例如使用降压变压器、降压稳压器或节流阀等设备。
3. 优化散热设计：功率损耗会产生大量的热量，如果不能及时有效地散热，将导致设备温度升高，进而降低设备的工作效率和寿命。
因此，优化散热设计是降低功率损耗的重要手段。
可以采用散热片、风扇、冷却液等散热设备，提高散热效率；合理布局设备，确保散热通道畅通；选择低功耗的散热材料等。
4. 采用节能设备和技术：随着科技的进步，出现了许多节能设备和技术，可以有效地降低功率损耗。
例如，LED照明技术相比传统照明技术具有更高的能源利用效率，可以减少能源浪费；智能家居系统可以实现对电器设备的智能控制，避免能源的浪费。
5. 定期维护和检测：设备的老化和故障也会导致功率损耗的增加。
定期维护和检测设备，及时发现和处理问题，可以减少功率损耗。
例如，清洁设备可以减少积尘和氧化对设备散热的影响；定期检查电路连接的紧固度，防止接触电阻增加等。
6. 增加能源管理意识：降低功率损耗不仅仅依靠技术手段，还需要用户自觉地提高能源管理意识。
例如，合理使用电器设备，避免长时间待机；充分利用自然光和自然风等自然资源，减少对电力的依赖；选择能源效率高的设备和家电等。
降低功率损耗是提高能源利用效率和减少电力浪费的重要途径。
电路中的电力电子器件损耗与热管理
电路中的电力电子器件损耗与热管理现代电子设备的广泛应用使得电力电子器件的损耗和热管理成为一个重要而复杂的问题。
随着电子器件功率密度的增加，如何有效降低器件损耗并保持器件温度在安全范围内，成为了电力电子学领域的研究热点。
本文将对电力电子器件的损耗和热管理进行探讨，并提出一些解决方案。
一、电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗主要来源于导通损耗和开关损耗。
1. 导通损耗导通损耗是指电流通过器件时，器件内部导通电阻产生的损耗。
在导通过程中，器件内部会出现一定的电压降，从而产生导通损耗。
为了降低导通损耗，可以采取以下措施：1）选用低导通电阻的器件材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料，这些材料具有较高的电子迁移率和较低的导通电阻。
2）降低电流密度，将电流合理分配到多个器件上，避免单个器件过载。
3）采用并联方式，将多个器件并联使用，以降低总的导通电阻。
2. 开关损耗开关损耗是指在开关过程中，由于器件内部电容充放电引起的能量损耗。
开关过程中会产生开关电压和开关电流，从而导致开关损耗的发生。
为了降低开关损耗，可以采取以下措施：1）降低开关电压，选用低压降的器件，减少开关过程中电压的损耗。
2）降低开关频率，减少开关过程中电容充放电的次数。
3）优化开关方式，选择合适的开关方式，如零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS）等，以减小开关过程中的能量损耗。
二、电力电子器件的热管理电力电子器件在工作过程中会产生大量的热量，如果不能有效地进行热管理，器件温度将会升高，甚至可能导致器件的失效。
为了保持器件温度在安全范围内，需要采取以下热管理措施：1. 设计散热系统合理设计散热系统是保持器件温度的关键。
散热系统应该具有较大的散热面积，以增加散热效果。
同时，还可以采用散热片、铜基板等材料，提高热传导性能。
2. 使用散热材料为了提高散热效果，可以在器件和散热器之间使用热导率较高的散热材料，如硅胶、硅脂等。
这些材料能够提高热量的传递效率，减小器件温升。
散热设计
以下资料主要是在网上搜集来的，加了点个人的理解，目的是将其作为自己在散热知识掌握程度的一个小结，希望对同行设计人员有个参考作用以18.5KW变频器举例"通常散热器的设计分为三步1:根据相关约束条件设计处轮廓图。
2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化。
3:进行校核计算"变频器发热主要是来自功率模块IGBT和整流桥，必须通过散热器导热，采用自然风冷或强迫风冷将热量散发出去。
“散热器冷却方式的判断对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2，可采用自然风冷。
对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2，可采用自然风冷。
对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。
对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷”注：“”中的文字是转摘来的，不知道依据，也不太理解。
以下同，不再说明！“自然冷却散热器的设计方法考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距，一般齿间距=<1/4的散热器高度”变频器首先按照模块放置要求，预先确定外形尺寸为宽*长*厚260*220*50先看看自然风冷，按照上述原则，选择镇江长虹散热器有限公司的DY-V系列散热器，见下图变频器发热量为额定功率P的5%-6%18.5kw变频器发热量计算Q热=6%P=6%*18.5=1.11(kw)=1110(W)P为变频器额定功率型材散热器表面积计算A=UL式中：U 散热器翅片横截面的周长，cmL 散热器的长度，cmA=2422.5209*220*10-2=5329.545(cm2)散热器表面的热流密度Q热/ A =1110/5329.545 =0.208 (W/ cm2)>= 0.039W/cm2计算出来的散热器表面的热流密度，远大于限制的0.039W/cm2，就算加长加厚散热器，增大表面积，也远远不够，所以不能采用自然风冷，要采用强迫风冷散热器的布置见下图也有将散热器热阻RTf来作为选择散热器的主要依据。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第8章 损耗与散热设计开关电源是功率设备，功率元器件损耗大，损耗引起发热，导致元器件温度升高，为了使元器件温度不超过最高允许温度，必须将元器件的热量传输出去，需要散热器和良好的散热措施，设备的体积重量受到损耗限制。
同时，输出一定功率时损耗大，也意味着效率低。
8.1热传输电子元器件功率损耗以热的形式表现出来，热能积累增加元器件内部结构温度，元器件内部温度受最高允许温度限制，必须将内部热量散发到环境中，热量通过传导、对流和辐射传输。
当损耗功率与耗散到环境的功率相等时，内部温度达到稳态。
1. 传导传导是热能从一个质点传到下一个质点，传热的质点保持它原来的位置的传输过程，如图8-1固体内的热传输。
热量从表面温度为T 1的一端全部传递到温度为T 2的另一端，单位时间传递的能量，即功率表示为 TR T l T T A P ∆=-=)(21λ （8-1） 式中 Al R T λ= （8-2） 称为热阻（℃/ W ）；l －热导体传输路径长度(m)；A －垂直于热传输路径的导体截面积(m 2)；λ－棒材料的热导率(W/m ℃)，含90%铝的热导率为220W/ m ℃，几种材料的热导率如表8-1所示;ΔT ＝T 1－T 2温度差(℃)。
例：氧化铝绝缘垫片厚度为0.5mm ，截面积2.5cm 2，求热阻。
解：由表8-1查得λ＝20 W/m ℃，根据式（8-2）得到340.5100.120 2.510t R --⨯==⨯⨯℃/ W 式（8-1）类似电路中欧姆定律：功率P 相当于电路中电流，温度差;ΔT 相当于电路中电压。
半导体结的热量传输到周围空气必然经过几种不同材料传输，每种材料有自己的热导率，截面积和长度，多层材料的热传输可以建立热电模拟的热路图。
图8-2是功率器件由硅芯片的热传到环境的热通路(a)和等效热路(b)。
由结到环境的总热阻为 sa cs jc js RR RR ++= （8-3） 上式右边前两个热阻可以按式（8-2）计算，最后一项的热阻在以后介绍的方法计算。
如果功率器件损耗功率为P ，则结温为 a sa cs jc j T R R R P T +++=)( （8-4） 式中R jc ， R cs 及R sa 分别表示芯片结到管壳，管壳到散热器和散热器到环境热阻。
除了散热器到环境的热阻R sa 外，其余两个热阻可以按式(8-2)计算。
(a) (b) 图8-2功率器件热传输和等效热路图从式（8-4）可见，要使结温T j 不超过最高允许温度T jM ，应当器件降低功耗P ，或者减少热阻。
一定的封装，决定了管壳和芯片结构，也就决定了结到壳的内热阻R jc 。
如果希望R jc 小，热传输路径l 要尽可能短，但受到器件承受的电压、机械平整度等限制；还要使传输截面积尽可能大，但这受到例如寄生电容等限制。
封装一般采用高热导率材料减小热阻。
高功率器件直接安装在空气冷却，甚至水冷散热器上。
尽量减少结到壳热阻R jc ，一般可以小于1W/℃。
手册中常给出结到壳热阻R jc ，最高允许结温T jM 和最大允许损耗P M ，或最高允许结温T jM 最大允许功率损耗P M 和允许壳温T c 。
如果是后者，根据已知数据就可以知道结到壳热阻 jM cjc M T T R P -= W/℃ （8-5）壳到散热器通常有一层绝缘导热垫片，绝缘垫片可以用氧化铝、氧化铍、云母或其他绝缘导热材料。
壳到散热器热阻R cs 包含两部分：绝缘垫片热阻和接触热阻。
绝缘导热垫片热阻可按式（8-2）计算。
例如用于TO －3封装的75μm 绝缘云母片热阻大约1.3℃/ W 。
但是，固体表面再好精加工，表面总是点接触，存在很大接触热阻，应当施加适当的装配压力，增大接触面，即便如此，表面之间仍有空气隙存在，对热阻影响很大。
太大的压力会使器件内部结构变形，可能适得其反,一般使用力矩板手保证确定的压力，又不致器件安装变形。
同时，材料接触表面应当平整、无瘤、坑，并在适当压力的前提下，绝缘垫片涂有混合导热良好氧化锌的硅脂，驱赶表面间空气，使接触热阻下降50%～30%。
TO3封装当涂有硅脂或导热材料时热阻大约0.4℃/ W 。
如果应用复合材料过多，层太厚将增加热阻。
接触热阻可按下式计算 'cs R A β= W/℃ (8-6)A 为接触表面积，cm 2；β－金属对金属为1,金属对阳极化为2；如果有硅脂分别为0.5和1.4。
2. 瞬态热抗众所周知，物体在传输热量之前，必须吸收一定的热能加热本身到高于环境的相应温度；而当热源去掉后，这部分热能经过一定时间释放掉，温度降低到环境温度。
这相似电容的充电和放电效应。
在热电模拟等效热路中引入热容的概念。
在电源开机、关机和瞬态过载等情况下，功率器件往往在瞬间损耗（浪涌）大大超过平均损耗，引起芯片结温瞬间升高，结温是否超过最大允许结温，这与功率浪涌持续时间以及器件的热特性有关。
在瞬态情况下，热传输的热路中必须考虑热容C s 。
材料的单位体积（或质量）的热容定义为热能Q 相对于材料温度T 的变化率，即 /v dQ dT C = 其中C v 是单位体积热容，每度（K ）单位体积的焦耳，或称为比热。
对于矩形截面A 材料，长度（热传输方向）d 的热容C s 如下 s v C C Ad = （8-7） 结温瞬态特性类似于电力传输线，等效电路方程的解很复杂。
通过热电模拟可以得到方程的近似解，稳态模型如图8-2所示。
如果输入功率P(t)是阶跃函数(图8-3(a))，考虑热容的等效热路如图8-3(a)所示，短时间温升T j (t)为()120()4/j t s a T t P t R C T π=+⎡⎤⎣⎦ (8-8)式中P 0为功率阶跃幅值，并假定t 小于热时间常数近似解为/4t s R C τπ= (8-9)P a t(c) 图8-3 等效热路瞬态热抗(a)，阶跃输入(b)和瞬态热阻抗响应如果时间大于时间常数τ，T j 接近稳态值P 0R t ＋T a 。
图的纵轴T j /P 0是瞬态热阻抗Z t (t)＝T j (t)/P 0。
但是，热传输相似于电网传输线，不是集中参数，热时间常数不能简单使用类似电路中的RC 时间常数。
式(8-9)是时间小于τ时的级数展开项，是t 的1/2次方，而不是简单的指数关系。
在实际器件中，热传输路径中不是一种材料，而是多种材料的多层结构，实际热系统是非线性高阶系统。
制造厂在功率器件手册中常提供如图8-4所示的瞬态阻抗曲线。
如果输入功率的时间函数已知，可以利用热抗曲线预计结温：()()()j a T t P t Z t T =+ （8-10）例如，IRFI4905通过启动时瞬时矩形功率脉冲150W ，脉冲宽度20μs ，占空比D ＝0.2，查得Z tjc =0.53W/℃,环境温度35 ℃于是1500.5335114.5j T =⨯+=℃实际上，功率脉冲一般不是矩形的，可以用幅值相等、能量（功率时间积分）相等原则求出脉冲宽度。
3. 散热器在式(8-3)中，我们已经解决了R jc 和R cs ，前者由器件厂商提供，后者可以根据绝缘要求选取适当的材料计算求得。
在一定的损耗功率P 时，要选择恰当的散热器，保证器件结温不超过最大允许结温。
目前使用的散热器平板、叉指型和翼片铝型材。
自然冷却散热器翼片之间的距离较大，至少应当10~15mm 。
散热器表面黑色阳极化使热阻减少25%，但成本增加。
自然对流冷却热时间常数在4~15分钟。
如果加风扇，热阻下降，使得散热器小而轻，同时也减少热容C s 。
对于强迫风冷散热器大大小于自然对流冷却散热器。
强迫风冷散热器的热时间常数典型值可以小于1分钟。
用于强迫风冷散热器叶片之间距离可以为几个mm 。
在高功率定额，采用热管技术或油冷、水冷进一步改善热传导。
散热器大小与器件可以允许的最高结温有关。
对于最坏情况设计，规定了最高结温T jM ，最高环境温度T amax ，最高工作电压和最大通态电流。
如果最大占空比、最大通态电流和最大通态电阻已知（由手册可以查得T jM 和最大电流）就可以计算功率器件中最大功率损耗。
如果器件结温125℃，TO －3晶体管，其功耗为26W ，制造厂提供R jc ＝0.9℃/ W 。
使用带有硅脂的75μm 云母垫片，其综合热阻为0.4℃/ W 。
散热器安装处最坏环境温度是55℃，根据式（8-4）求得散热器到环境的热阻为 12555(0.90.4) 1.3926t R -=-+=℃/ W图8-4 IRFI4905 MOSFET 结到壳最大瞬态热抗图(International Rectifier -IR) 矩形脉冲宽度(s) 单脉冲（热抗） 热阻抗（Z t j c ）占空比峰值T j ＝P DM ×Z tjc ＋T c注：手册中常给出铝型材单位长度热阻，由计算出的散热器热阻求出需要该散热器型材的长度。
4. 对流和辐射传热生产厂提供的散热器数据是该散热器在规定环境温度散热器到环境的热阻R sa 。
此热阻包含了辐射和对流热阻，它们与环境温度有关。
因此有必要了解散热器对流和辐射热传输机理。
对流和辐射热阻与传导热阻并联。
辐射热阻根据斯蒂芬－波尔兹曼定律，经辐射传输的热能()8445.710s a P EA T T -=⨯- （8-11a ）P 为辐射功率(W)；E 为表面发射率；T s 为表面温度(°K) ；T a 为环境温度或周围温度(°K);A 为散热器外表面（包括叶片）(m 2)。
对于黑色表面如黑色阳极化铝散热器E ＝0.9。
对于磨光铝，E 可能小到0.05。
对于黑色阳极化铝散热器可以将上式重新写成 445.1100100s a T T P A ⎛⎫⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭ （8-11b ） 根据热路欧姆定律，辐射热阻为 445.1100100rt s a TR T T A ∆=⎡⎤⎛⎫⎛⎫-⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎢⎥⎣⎦如果T s ＝120℃=393K ；T a ＝20℃=293K ，则辐射热阻 0.12rt R A=℃/ W 例：每边10cm 表面阳极化的黑色立方体，表面温度T s ＝120℃，环境温度为T a ＝20℃，辐射热阻 20.12260.1rt R ==⨯℃/ W 对流热阻 如果垂直高度d 小于1m ，对流带走的热能 ()1.250.251.34T P A d ∆=（W ） (8-12)ΔT 为物体温度与环境空气的温度差（℃），A 是垂直表面积（或物体总表面积）(m 2)，d 物体垂直高度(m)。
根据热欧姆定律，对流热阻 1/411.34ct d R A T ⎛⎫= ⎪∆⎝⎭（8-13） 如果d=10cm ，ΔT ＝100℃ 0.13ct R A=℃/ W 例：有一个薄板表面温度为120℃，环境温度为20℃，板高10cm ，宽30cm ，求R ct ： 1/410.1 2.21.3420.10.3100ct R ⎛⎫== ⎪⨯⨯⨯⎝⎭℃/ W如果立方体与薄板面积相同，对流热阻与上例相同，则辐射和对流总热阻为ct rt rct ct rtR R R R R =+＝1℃/ W 热从水平向上表面比垂直表面移开多15％~25%。