有沒有想過人們對電路過熱引起的電涌引起的爆炸以及電器損壞甚至火災(zāi)發(fā)生的后果的反應(yīng)？人們在身體、情感和心理上受到創(chuàng)傷的方式促使電力行業(yè)的專家將注意力集中在分析電力行為上。這樣，可以通過適當(dāng)?shù)臒峁芾韥矸乐共⒃诳赡艿那闆r下消除此類損壞。

電子在穿過導(dǎo)體和半導(dǎo)體時會產(chǎn)生大量熱量，它們會對電路的最終性能產(chǎn)生負(fù)面影響。最大的障礙是由微電子的實(shí)現(xiàn)造成的，它與散熱不太好。近幾十年來，電子設(shè)備的功率密度顯著增加。減小器件尺寸的趨勢增加了電子電路中的熱問題。因此，功率器件中的溫度管理仍然是一個極其關(guān)鍵的因素。審查技術(shù)和方法以更好地管理與系統(tǒng)熱方面相關(guān)的問題變得至關(guān)重要。

電氣設(shè)備的熱分析是確保系統(tǒng)穩(wěn)定性必不可少的步驟。對于小型化和高性能的設(shè)備，這一點(diǎn)更為重要。熱分析一般計算工作條件的范圍和零件之間的熱傳導(dǎo)。設(shè)計人員研究了熱空氣路徑，以避免在電路中形成氣泡。熱量可以通過風(fēng)扇的強(qiáng)制對流和自然對流來消散。電子能量轉(zhuǎn)換電路的功能取決于設(shè)計者的計算。熱仿真是設(shè)計師的絕佳盟友。它可以幫助他們設(shè)計原型，而無需物理構(gòu)建機(jī)械和電子部件。小細(xì)節(jié)的存在會對最終電路產(chǎn)生很大的影響。

高溫：負(fù)面影響

溫度會改變電氣和電子元件的可靠性和耐用性。設(shè)備故障幾乎總是由熱問題引起的。電路中溫度的升高會導(dǎo)致設(shè)備過早老化，而低溫會促進(jìn)冷凝的形成，從而有損壞設(shè)備和腐蝕的風(fēng)險。功率和高溫創(chuàng)造了一個不可分割的組合。在每個系統(tǒng)中，一小部分功率會轉(zhuǎn)化為未使用的熱量（見圖 1）。電源電路、逆變器、轉(zhuǎn)換器、斬波器、電源就是這種情況，它們會產(chǎn)生大量熱量，尤其是在設(shè)計不當(dāng)?shù)那闆r下。

圖 1：由具有 IGBT 的逆變器開發(fā)的熱圖

如果功率器件的設(shè)計具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，符合法規(guī)，遵循操作限制，使用快速開關(guān)元件和低散熱，系統(tǒng)將在更低的溫度下以更高的效率工作。電路中高溫的最大問題之一是效率降低。高溫通常是集成電路和電子元件的大敵。高溫不僅使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，還會降低部件的平均壽命，從而導(dǎo)致其劣化。

夏季是功率器件過熱問題的關(guān)鍵時期。散熱不好一般是灰塵、風(fēng)扇問題、風(fēng)道堵塞造成的。保護(hù)電路會降低最終性能甚至停止操作。工作溫度不僅取決于電路的功能，還取決于使用地點(diǎn)。理想的情況是涼爽通風(fēng)的環(huán)境，但這通常是不可能的。內(nèi)部和外部溫度之間需要適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

即使功率器件的性能非常高，產(chǎn)生的熱量也總是過多。一個例子可以澄清任何疑問：假設(shè)我們正在使用一個效率為 98% 的十 （10） kW 逆變器。它是一種良品率極好的器件。百分之二 （2） 的能量（等于 200 W）會在未使用的熱量中損失掉，而這種熱功率代表了相當(dāng)高的值。甚至設(shè)備容器上的溫度也會影響效率。如果它太高，電路必須降低它們的功率。在某些情況下，不可能使用所有可用的模塊電源。

如何應(yīng)對高溫

在操作層面，用戶應(yīng)對設(shè)備進(jìn)行簡單的維護(hù)，如除塵、清潔風(fēng)道等，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。顯然，系統(tǒng)必須設(shè)計為盡可能少的發(fā)熱量，因此，在設(shè)計功率器件時應(yīng)該注意一些預(yù)防措施。

散熱片

要采取的第一個預(yù)防措施是采用并實(shí)施一種策略來散發(fā)電氣和電子電路的熱量。散熱器的傳熱效率與散熱器與周圍空間之間的熱阻有關(guān)。它測量材料散熱的能力。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（圖 3）。

理想的散熱材料必須具有高導(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：前者用于需要最大傳熱效率的場合，成本較高，比重較大；后者用于要求不高的操作條件。然而，現(xiàn)在正在研究一門關(guān)于熱材料的新科學(xué)，在不久的將來，技術(shù)將有助于生產(chǎn)具有更好性能和更低成本的新材料。

圖 3：散熱器的模擬

通過系統(tǒng)內(nèi)部的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Mosfet）的開/關(guān)來調(diào)節(jié)輸出功率，從而達(dá)到節(jié)能調(diào)速的目的。冷卻對電路的性能和使用壽命至關(guān)重要。今天，有雙面冷卻功率模塊提供卓越的冷卻性能，以提高熱循環(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，而不是通過傳統(tǒng)的散熱器、散熱器組件。

圖 4：一個軟件可以模擬系統(tǒng)

設(shè)計人員必須實(shí)施設(shè)備以高效可靠地冷卻包含電路的外殼。如果這是精心制作的，它也可以用作散熱器。這樣，設(shè)備可以在最大額定功率下運(yùn)行，即使環(huán)境溫度高達(dá) 50° C。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)組成的整個系統(tǒng)（見圖 4）。該軟件允許在實(shí)際生產(chǎn)之前進(jìn)行虛擬原型測試。在設(shè)計冷卻元件之前，可以研究材料、熱流和電信號以確定最佳工作點(diǎn)。

作為散熱器的容器

許多功率器件封裝在金屬容器中，金屬容器本身充當(dāng)散熱器。這些是可以完美適應(yīng)最極端環(huán)境的防水容器。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)電流流過電子元件時，它們會散熱。熱量取決于功率和電路設(shè)計。電子元件在電路上的最佳布置應(yīng)提供良好的空氣流通和部件的智能放置，同時考慮到電路的規(guī)格。在熱分布下優(yōu)化布置的組件可以在環(huán)境中散發(fā)熱量（參見圖 6）。

圖 6：電路的熱圖

最熱的組件應(yīng)該放置在比冷組件更高的位置。電路可以在帶有熱平面的印刷電路板 （PCB） 上安裝的組件上覆蓋金屬蓋，以幫助散熱。組件有助于產(chǎn)生熱量和電氣連接、銅跡線和通孔的電阻。此外，必須特別小心地創(chuàng)建 PCB。設(shè)計人員必須研究元件的尺寸、PCB 的尺寸及其材料、布局、元件放置和采用適當(dāng)冷卻方法的方向。他們可以使用紅外 （IR） 攝像頭和仿真軟件來評估供電原型板。

主動散熱

如果無法應(yīng)用被動解決方案，最好使用主動解決方案，這些解決方案通常由用于測量熱參數(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）。主動冷卻方法，例如強(qiáng)制通風(fēng)或泵送液體，可以提供可接受的性能。然而，這會增加能耗和噪音。這些系統(tǒng)通過風(fēng)扇、空調(diào)和空氣-空氣或空氣-水交換提供強(qiáng)制對流。

具有低 R DS（on） 的開關(guān)元件

現(xiàn)代開關(guān)電路由碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） MOSFET 制成。這些組件提供了很大的優(yōu)勢，主要是從散熱的角度來看和效率。與硅 （Si） 相比，SiC 具有十倍的介電擊穿場強(qiáng)、三 （3） 倍的帶隙和三 （3） 倍的熱導(dǎo)率。SiC MOSFET 的主要特性和優(yōu)勢包括：

極高的溫度處理能力（最大 TJ = 200 °C）；

顯著降低開關(guān)損耗；

低導(dǎo)通電阻（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 對于生產(chǎn) MOSFET 也非常有用。GaN是直接帶隙半導(dǎo)體?；?GaN 的 MOSFET 和金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 （MESFET） 可用于高功率電子產(chǎn)品，尤其是電動汽車和汽車應(yīng)用。

結(jié)論

設(shè)計人員應(yīng)從設(shè)計的概念階段就考慮影響溫度的所有因素。熱管理技術(shù)取決于組件和電路散發(fā)的熱量、環(huán)境、設(shè)計和外殼。隨著功率微電路的采用，必須毫無問題地管理能量并最大限度地散熱。毫無疑問，受正確熱管理影響的第一個因素是安全性。由于大多數(shù)功率器件用于汽車領(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。為此，整個系統(tǒng)的維護(hù)也大大減少。

審核編輯：郭婷