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發(fā)生的后果的反應？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?shù)臒峁芾韥矸乐共⒃诳赡艿那闆r下消除此類損壞。

電子在穿過導體和半導體時會產(chǎn)生大量熱量，它們會對電路的最終性能產(chǎn)生負面影響。最大的障礙是由微電子的實現(xiàn)造成的，它與散熱不太好。近幾十年來，電子設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鍵的因素。審查技術和方法以更好地管理與系統(tǒng)熱方面相關的問題變得至關重要。

電氣設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備，這一點更為重要。熱分析一般計算工作條件的范圍和零件之間的熱傳導。設計人員研究了熱空氣路徑，以避免在電路中形成氣泡。熱量可以通過風扇的強制對流和自然對流來消散。電子能量轉換電路的功能取決于設計者的計算。熱仿真是設計師的絕佳盟友。它可以幫助他們設計原型，而無需物理構建機械和電子部件。小細節(jié)的存在會對最終電路產(chǎn)生很大的影響。

高溫：負面影響

溫度會改變電氣和電子元件的可靠性和耐用性。設備故障幾乎總是由熱問題引起的。電路中溫度的升高會導致設備過早老化，而低溫會促進冷凝的形成，從而有損壞設備和腐蝕的風險。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，一小部分功率會轉化為未使用的熱量（見圖 1）。電源電路、逆變器、轉換器、斬波器、電源就是這種情況，它們會產(chǎn)生大量熱量，尤其是在設計不當?shù)那闆r下。

圖 1：由具有 IGBT 的逆變器開發(fā)的熱圖

如果功率器件的設計具有優(yōu)良的結構標準，符合法規(guī)，遵循操作限制，使用快速開關元件和低散熱，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，從而導致其劣化。

夏季是功率器件過熱問題的關鍵時期。散熱不好一般是灰塵、風扇問題、風道堵塞造成的。保護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。理想的情況是涼爽通風的環(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?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高的值。甚至設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。

如何應對高溫

在操作層面，用戶應對設備進行簡單的維護，如除塵、清潔風道等，以保證設備的正常運行。顯然，系統(tǒng)必須設計為盡可能少的發(fā)熱量，因此，在設計功率器件時應該注意一些預防措施。

散熱片

要采取的第一個預防措施是采用并實施一種策略來散發(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。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，與相關方直接接觸（圖 3）。

理想的散熱材料必須具有高導熱性、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)在正在研究一門關于熱材料的新科學，在不久的將來，技術將有助于生產(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體場效應晶體管（Mosfet）的開/關來調(diào)節(jié)輸出功率，從而達到節(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)

設計人員必須實施設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，設備可以在最大額定功率下運行，即使環(huán)境溫度高達 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）。該軟件允許在實際生產(chǎn)之前進行虛擬原型測試。在設計冷卻元件之前，可以研究材料、熱流和電信號以確定最佳工作點。

作為散熱器的容器

許多功率器件封裝在金屬容器中，金屬容器本身充當散熱器。這些是可以完美適應最極端環(huán)境的防水容器。它們通常具有帶散熱片的鋁制機身。

優(yōu)化電子元件的位置

當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計。電子元件在電路上的最佳布置應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備（風扇、加熱器、空調(diào)等）。主動冷卻方法，例如強制通風或泵送液體，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)通過風扇、空調(diào)和空氣-空氣或空氣-水交換提供強制對流。

具有低 R DS（on） 的開關元件

現(xiàn)代開關電路由碳化硅 （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、三 （3） 倍的帶隙和三 （3） 倍的熱導率。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）；

顯著降低開關損耗；

低導通電阻（650 V 器件為 20 mOhm，1200 V 器件為 80 mOhm）；

非?？焖俸蛷姶蟮谋菊黧w二極管。

GaN 對于生產(chǎn) MOSFET 也非常有用。GaN是直接帶隙半導體。基于 GaN 的 MOSFET 和金屬半導體場效應晶體管 （MESFET） 可用于高功率電子產(chǎn)品，尤其是電動汽車和汽車應用。

結論

設計人員應從設計的概念階段就考慮影響溫度的所有因素。熱管理技術取決于組件和電路散發(fā)的熱量、環(huán)境、設計和外殼。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域，因此謹慎和安全是主要目標。

良好的熱管理還有助于防止過熱和電路故障。這導致電力設備最終用戶的維護成本大幅降低。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，精心設計的電子電路，具有所有最佳熱管理標準，可以保護其電子元件，使其使用壽命更長。為此，整個系統(tǒng)的維護也大大減少。

審核編輯：郭婷