電力電子的熱管理未來趨勢(shì)與挑戰(zhàn)！

在快速發(fā)展的電力電子領(lǐng)域，熱管理已成為確保設(shè)備可靠性、效率和耐久性的重要因素。這在電動(dòng)車等能源密集型行業(yè)尤為相關(guān)，其中碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)電子電路解決方案，如逆變器、變換器和充電電路，正在徹底改變行業(yè)格局。

引言

SiC和GaN器件相比傳統(tǒng)硅開關(guān)提供了更高的性能水平，得益于它們能夠在更高的電壓和頻率下運(yùn)行，并減少開關(guān)損耗。因此，它們可以在比過去的電子元件更低的溫度下運(yùn)行。然而，盡管效率更高，這種高性能不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量熱量，必須有效散發(fā)，以避免組件損壞并確保最佳和安全的運(yùn)行。設(shè)計(jì)師采用多種策略以盡量減少熱量產(chǎn)生，從而減少能量損失。

這些解決方案涉及所使用散熱器的材料和形狀，先進(jìn)的冷卻技術(shù)(包括液體解決方案)、通過特殊傳感器進(jìn)行的主動(dòng)熱控制，當(dāng)然還有電路和PCB的優(yōu)化設(shè)計(jì)。所有這些解決方案的總和決定了電力電路熱系統(tǒng)的改進(jìn)速度。電子元件的冷卻運(yùn)行始終是首選，設(shè)計(jì)師采取各種措施降低溫度值。在電力應(yīng)用中，溫度是一個(gè)關(guān)鍵因素，需要持續(xù)關(guān)注。開關(guān)和導(dǎo)通損耗會(huì)加熱設(shè)備并導(dǎo)致嚴(yán)重故障。

散熱器：形狀和材料

散熱器的目的是進(jìn)行熱量交換和轉(zhuǎn)移。它通常由金屬制成，釋放并散發(fā)熱量，以防止其連接的設(shè)備過熱。保持設(shè)備溫度盡可能低是設(shè)計(jì)師和最終用戶的共同利益。將其安裝在設(shè)備外部通常優(yōu)于內(nèi)部安裝。然而，如果條件要求內(nèi)部組裝，系統(tǒng)必須配備適當(dāng)?shù)目諝庋h(huán)。需要冷卻的組件通過直接接觸進(jìn)行熱傳導(dǎo)，將其熱量傳遞給散熱器。散熱器反過來通過對(duì)流將熱量散發(fā)到周圍環(huán)境，通常是空氣。散熱器的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)真正的藝術(shù)，使用高導(dǎo)熱材料(如銅和鋁)可以顯著提高熱傳導(dǎo)效率。

圖1展示了三種采用不同導(dǎo)熱系數(shù)材料制作的散熱器的不同表現(xiàn)：

· 第一種散熱器由鋼制成，導(dǎo)熱系數(shù)為61 mW/mm·°C。

· 第二種散熱器由鋅制成，導(dǎo)熱系數(shù)為112 mW/mm·°C。

· 第三種散熱器由銀制成，導(dǎo)熱系數(shù)為420 mW/mm·°C。

目前，大多數(shù)散熱元件由銅或鋁制成，因?yàn)殂y的成本過高。圖中的模擬在27°C的環(huán)境溫度下進(jìn)行，清楚地顯示了不同材料之間的效率差異。如圖所示，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較低，導(dǎo)致大部分熱量“被困”在電子設(shè)備附近，顯然存在變質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，銀的導(dǎo)熱系數(shù)高，因此熱量在散熱器的整個(gè)表面上良好運(yùn)作，并通過對(duì)流方式傳遞到空氣中。

散熱器的尺寸和暴露于空氣的表面積決定了散熱器的效率以及電子元件與環(huán)境之間的熱傳遞。大多數(shù)散熱器由鋁制成，因?yàn)槠鋵?dǎo)熱性能優(yōu)良且輕便。散熱器的設(shè)計(jì)取決于需要散發(fā)的功率、環(huán)境溫度和可用空間。散熱器由鰭片組成，以增加暴露于空氣的冷卻表面積。它們的物理形狀旨在優(yōu)化暴露的表面積。無疑，熱交換表面至關(guān)重要;表面越大，散熱器的熱阻就越低，但始終需要適當(dāng)?shù)谋壤?，以適應(yīng)需冷卻電氣組件的尺寸和散熱器本身的輻射表面。

散熱器的熱阻僅在最佳使用情況下符合額定數(shù)據(jù)。該參數(shù)取決于尺寸(表面積、厚度)、物理形狀、材料、顏色、表面衛(wèi)生狀態(tài)和方向。圖2顯示了三種不同鋁制散熱器的熱模擬，環(huán)境溫度為27°C，突出其表面的溫度分布。

這三種散熱器在“俯視圖”上具有相同的二維表面，但具有不同的幾何形狀：

· 第一種為平板

· 第二種為一系列縱向鰭片

· 第三種為一系列更密集且更薄的垂直鰭片

三個(gè)散熱器的溫度分布并不均勻。最熱區(qū)域位于功率應(yīng)用區(qū)域附近，而最冷區(qū)域則位于鰭片的末端，距離晶體管最遠(yuǎn)處。模擬顯示了散熱器的幾何形狀如何影響其散熱能力。隨著模型設(shè)計(jì)中厚度的采用，三種暴露表面非常不同，以下表格將它們及其標(biāo)準(zhǔn)化值列出。

第一種散熱器由于是平板，熱交換表面有限，因此呈現(xiàn)出最高溫度。第二種散熱器具有更大的熱交換表面，因此溫度較低。第三種散熱器熱交換表面最大，因此所有散熱器中溫度最低。

熱組件固定到散熱器的物理形狀和位置相當(dāng)關(guān)鍵，既要確保良好的體積與表面積比例，又要有效地將熱量傳遞給環(huán)境。熱空氣比冷空氣輕，因此熱量的自然運(yùn)動(dòng)是由下至上。垂直安裝的鰭片散熱器工作條件優(yōu)于水平散熱器。散熱器的顏色也很重要，影響其性能。黑色散熱器允許通過輻射最大限度地?cái)U(kuò)散熱量。裸鋁或黑色陽極氧化鋁是一種極好的解決方案，而其他顏色則在質(zhì)量上較差。最后，塑料涂料的熱特性非常差，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高效的熱傳遞。以下表格顯示了一些典型的對(duì)流傳熱系數(shù)值。

在使用散熱器時(shí)最關(guān)鍵的點(diǎn)之一是設(shè)備與散熱器之間的有效熱連接。為此，采用了多種固定方法，如熱粘合劑、機(jī)械固定、焊接和導(dǎo)熱膏。

PCB散熱器

PCB散熱器是熱管理的重要組成部分，因?yàn)樗鼈冇行У厣l(fā)熱量，防止過熱問題。它們的工作集中在降低電路中高功率組件的溫度，以使溫度保持在安全操作范圍內(nèi)，從而提高設(shè)備的可靠性和耐用性。PCB散熱器采用導(dǎo)熱冷卻，熱量通過直接接觸從熱設(shè)備轉(zhuǎn)移到散熱器。它還通過散熱器的鰭片進(jìn)行對(duì)流冷卻，增加暴露于氣流的表面積。它還通過輻射冷卻，釋放電磁輻射，將熱量從鰭片轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境。

PCB散熱器的設(shè)計(jì)涉及使用不同的材料，每種材料都有其優(yōu)缺點(diǎn)。因此，鋁被優(yōu)先選擇，因?yàn)槠浼容p便又經(jīng)濟(jì)，同時(shí)銅具有更高的導(dǎo)熱性，但更重且更貴;陶瓷材料具有良好的導(dǎo)熱性和電絕緣性;最后，導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱性較低，但可直接模壓在PCB上。散熱鰭片尤其重要，它們?cè)黾恿吮┞队跉饬鞯谋砻娣e。更高的氣流速度能加速鰭片的熱量散發(fā)，這通過自然和強(qiáng)制對(duì)流實(shí)現(xiàn)。為了提高散熱效果，可以通過增加鰭片的數(shù)量來增加表面積。此外，通過實(shí)施自然或強(qiáng)制通風(fēng)，可以改善氣流。

電池

在強(qiáng)大能量輸出過程中，電池會(huì)產(chǎn)生必須散發(fā)的熱量。由于內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，熱量的產(chǎn)生是不可避免的。這種熱量與功率成正比。在快速充電(但也包括放電)過程中，電池會(huì)產(chǎn)生大量熱量。鋰離子電池在充電和放電過程中由于化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生熱量。熱量在過程中生成并積累，會(huì)嚴(yán)重影響性能、耐用性和安全性。在被動(dòng)冷卻中，空氣從電池包的外部流入，起到冷卻作用(見圖3)。當(dāng)車輛移動(dòng)時(shí)，電池包的熱量通過空氣流經(jīng)空間被排除到對(duì)面。

這種解決方案通常適用于能量密度低的電池，但在高環(huán)境溫度和更大的散熱需求下，這種技術(shù)效果不佳。為了改善冷卻，必須添加特殊風(fēng)扇以增加空氣流速，并改善熱傳遞系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更大的氣流。熱量散發(fā)除了冷卻電池本身外，還旨在降低電池的降解，并增加能量輸出，因?yàn)樵诟邷叵缕湫阅茌^差。在電池的熱管理中，管理主動(dòng)熱控制至關(guān)重要，使用溫度傳感器和控制算法。這使得能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備和電池的溫度，以動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)扇速度和優(yōu)化冷卻。

具備高冷卻速率的高效充電電路對(duì)于確保電池快速安全充電至關(guān)重要，特別是用于電動(dòng)車的高功率電池。這些電路利用先進(jìn)的電子元件和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)技術(shù)，在充電過程中最大限度地減少能量損失。效率是限制能量消耗和延長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵。有效的冷卻至關(guān)重要，因?yàn)榭焖俪潆娭猩婕暗母唠娏骱碗妷簳?huì)產(chǎn)生熱量，可能損壞電子元件并影響電池性能。

結(jié)論

熱管理是在設(shè)計(jì)電子電路時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵方面，尤其是針對(duì)用于車輛應(yīng)用的高功率電路。選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s解決方案，如穩(wěn)固的散熱器和強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)確保組件的可靠性和耐用性至關(guān)重要。技術(shù)演進(jìn)伴隨著電子設(shè)備功率密度的提升，使熱管理成為一個(gè)日益重要的挑戰(zhàn)。

然而，材料、冷卻技術(shù)和熱控制的持續(xù)創(chuàng)新為克服這些挑戰(zhàn)和改善電力電路性能提供了有前景的機(jī)會(huì)。電動(dòng)車等領(lǐng)域正受益于先進(jìn)的熱管理策略。能源效率對(duì)于最大化電動(dòng)車的續(xù)航能力至關(guān)重要，這與有效冷卻逆變器、電動(dòng)機(jī)和電池組的能力密切相關(guān)。投資于尖端的熱管理解決方案不僅改善電子設(shè)備的性能和可靠性，還為采用SiC和GaN等新興技術(shù)鋪平了道路，這些技術(shù)有望徹底改變電力電子行業(yè)。