电力电子器件及其装置的散热结构优化研究

　　摘要:伴随着改革开放，我国的经济实力得到了全方位的提升，大众的生活水平迈入了小康社会。同样的电力行业也取得了长足的进步，在电力系统升级换代过程中各种电子器件的原理及设计工艺逐渐复杂化，同时电子器件必须具备较高的散热性能，因为电子器件元件的工作温度需处于正常的温度范围之内，进而保证电力装置能够稳定、正常的运转。

　　关键词:电子器件;装置;散热结构;优化

　　研究电子器件中的散热单元需要具备多学科、多领域的知识，因此必须具备多学科、多领域的知识才能实现优化散热装置设计、提高散热性能的目标。除此之外部分功率较大且发热量较大的设备在使用过程中还需要电风扇等辅助设备进行降温，以确保设备能够稳定的正常运行。文章首先简单描述电力电子器件相关情况及优化其散热结构的必要性，然后深入分析了优化散热结构的可行方案，最后介绍了最新的材料在实际应用时对散热结构性能的要求，希望能够为提升散热结构设计或性能提供一些参考价值。

　　一、电子器件及优化其散热结构的必要性

　　伴随着我国各行各业的发展，大众的生活水平迈上了一个新的台阶，而在电力行业当中优化各种电力设备成为研究员、一线技术人员等人的主要工作内容。伴随着电力系统中各部分的升级换代，各种电子器件的体积不断缩小，这意味着其内部结构越来越紧凑，同时也越来越复杂，虽然体积减小有利于节约空间，但同时也带来了散热性能不佳的问题，进而导致电气装置无法持续的稳定运行，而实际情况要求电力装置必须做到24小时运转。由此可见，必须解决电子器件的散热问题，只有这样才能使电气装置长久的处于稳定运转的状态。

　　二、电子器件散热装置的特征及原理

　　(一)电子器件散热结构的主要特征(1)电子器件散热结构占电子器件的面积较小但热流的密度较大从而导致热量的高度集中。电子器件是电力装置的核心组成部分之一，因此必须具备良好的散热性，进而确保电力装置能够持久、安全、稳定的运转。(2)电子器件的散热结构是多学科领域交叉综合的产物，具体而言有如下学科:电子、材料、物理、传热等。电子器件的科研、制作、应用等环节均涉及以上领域。例如极端天气环境下需要使用电风扇或者泵等外在辅助设施加强散热结构中冷却介质的散热能力，此时即应用了物理学中空气流体力学的相关知识。除此之外，电子元器件的热、电、力等多个物理场的耦合问题需要重点关注并进行深入的研究。

　　(3)真空环境下散热的特殊性。

　　当电子器件处于真空环境时与非真空环境相比存在一些特殊性，主要在于真空环境下散热结构及其通道不同:非真空环境下电子器件散热的主要方式是散热单位表面及电子器件壳体与四周环境的空气对流从而完成散热，而真空环境下的散热主要依赖于热传导、热对流及热辐射等形式，以下是此三种情况的简述:①热传导，其原理为物体自身的原子、分子等微观层面的粒子进行热运动，从而将热量从较高温度的地方转移至较低温度的地方，并且能够计算得出该物体的热阻值。②热对流，此种散热方式主要发生在流体和与流体接触的固体表面之间。由此可知此中散热方式的影响因素有导热规律及流体的流动原理，通常按照冷却定律计算传导的热量。如果依照流体流动的原因进行划分，则可以分为两种:自然对流、强迫对流。

　　自然对流顾名思义是由于流体自身的各个部分间存在温度差而自发产生的对流，具体而言是温度差引发了流体温度较低处下降，而温度较高处上升。强迫对流则是指使用电风扇等外在辅助设备辅助降温过程中产生的对流。③热辐射，根据物理学可知热量能够形成电磁波的辐射。简言之其原理为物体的温度大于绝对零度的情况下，物体自身热量会持续性的向外辐射，与此同时周围的物体所散发出来的热辐射也会被该物体所接收。而计算热辐射的数量时通常使用网络分析法。

　　(二)电子器件散热结构基本原理的深入研究

　　只有深入了解并掌握了电子器件原理及其散热结构的原理后，才有可能实现对优化散热结构设计的优化、降低其制造成本等目标。本文将从以下几个角度入手进行深入研究:

　　(1)热阻的基本原理及怎样降低热阻。电子器件在工作过程中会不断的产生并散发热量，如果自身热量超过一定的阈值则会增加对能量的消耗，同时其运行稳定性也会降低。因此研究人员增加了散热结构来帮助电子器件散热，通常是使用具备高导热系数的材质与发热的元件相接触，之后借助热熔较高的介质将热量散发出去，最终达到散热的目标。由此可知应当高度重视散热结构及电子器件的布局，如果间距过窄则极大概率上导致散热性能不佳。

　　(2)选用合适的风冷散热器并进行优化。风冷散热器的结构主要包含:底板及翅片，其原材料通常为铜铝合金。依照设计结构可将风冷散热器分为如下几种，在选用时应当了解其优点、缺点及其应用环境，然后选取合适的类型:①挤压铝型材式，即通过热挤压的工艺将合金铝锭挤压成型。此类型的优点为:热阻较小、较强的抗腐蚀性、较高的散热效率;缺点则表现为:散热结构的翅片及其宽度在高度及厚度等方面有较多的限制。适用的环境为海船等特殊环境。②拼接翅片式，即把翅片的根部叠放在一起。此种材料的优点为可以灵活的制造出各种翅片，缺点则为此类型的风冷散热器具有较高的热阻，不利于散热。

　　(三)电子器件散热结构的复杂性分析

　　上述曾经提到电子器件散热结构的研究、设计和应用等环节均涉及诸多学科领域例如物理学、材料学等，由此可知需要综合应用各学科知识方能达到优化散热结构的设计、降低其制造成本等目标。另外，如果某些电力装置功率大、发热量高则需要借助外在的辅助设备进行散热降温，这个过程则需要掌握并运用空气流体力学的原理。由此可知如果想要设计一个完整的、良好的散热结构需要应用到许多理论。只有综合考虑到各方面的因素才能设计出一个科学的散热结构，进而保证电力装置能够处于正常的温度环境并且稳定的运转。

　　三、可行的散热途径及其分析

　　在开始优化电子器件散热结构之前需要认识三种散热途径:传导散热、辐射散热和对流散热。传导散热的原理是依赖装置自身的原子、分子互相进行热的传播及散热，进而降低电子器件的温度;辐射散热是自然散热的一种，其原理为当物体温度高于绝对零度时会对外散发热辐射从而完成散热;对流辐射的基本原理有两种:其一是物体与其他物体接触面产生对流，其二是流体内部产生对流。根据对流的方式不同可以细分为两种对流方式:强迫对流、自然对流。前者是使用外在设备风扇等设备引发对流，后者是由于自然温差而自发产生的对流。由此可知，热传播有多种形式，优秀的科研人员应该依据电子器件的发热程度选择恰当的散热方式并进行科学的设计，最终达到提高散热能力的目标。

　　四、电子器件散热结构优化方案

　　(一)选择合适的散热片材料散热片是广泛应用的散热材料之一，常用于各种电气元件的散热结构。其优点主要体现在:成本较低、导热性良好以及其散热的设计可以及时散发电子器件在工作过程中产生的热量。制作导热片时可选用的材质有很多，根据导热性的高低进行排列其顺序为:银、铜、铝及其他材质。虽然银的导热性最高，但因为成本高，因此大多仅应用于精密仪器的制作。而铜、铝的成本低，更适合广泛应用。但是实际使用则发现:铜质量较重、难以塑型的缺点以及铝过于软的缺点使得纯铜和纯铝无法很好地发挥作用。所以业界大多采用铝合金，铝合金的优点体现在:质量较轻、硬度和强度均较高因此不容易变形、价格低廉。综上可知，散热片的原材料大多选用铝合金[1]。

　　(二)散热片对设计的要求设计散热片时主要需要考虑的因素是哪些因素影响了散热。其目的是从根源上改善散热性不佳的问题从而提高散热片的性能。一般而言影响散热的主要因素之一是散热面积的大小，据此可知在设计及制作散热片时应当在有限的空间内尽可能地提高散热面积。多数情况下是在铝合金制散热品的垂直方向上竖立若干片，以此来扩大散热片的面积，提高散热的性能。然而在实际应用中此种做法仍不能很好地满足散热的需求，因此部分厂家升级了方案，例如，增加翅片的个数并折弯翅片进一步扩大散热面积，测试结果显示此方案确实能够再次提高散热性能[2]。

　　(三)散热结构的设计标准优化电子器件散热结构需要根据实际的需求及具体的情况综合考虑各种可行性方案。深入分析可知在电子器件散热结构运行时影响其散热过程的是各项基本的参数。所以需要在了解实际的需求之后开展综合性的分析，进而设计方案优化散热结构的基本参数，最终实现提高散热性的目标。如果要按照电子器件元件的功率温升选择合适的散热装置则可以事先进行一定的运算，此做法不仅可以选择出合适的散热器还可以做到精准的把控各项参数，最终顺利完成散热结构的方案设计工作，制作出满足散热需求的散热结构。

　　(四)散热结构助力片的个数有科研人员研究了散热器助力片间距与厚度之间的变化关系，结果显示热阻的关系确实在一定水平上影响了散热的效率，即合理的降低热阻可以在一定水平上提高散热结构的散热效率。需要考虑到散热结构具体应用环境及其散热条件，然后以此为前提展开实验研究，其目的为优化各项参数，优化散热结构。

　　(五)合理使用导热绝缘胶如果电子器件的散热结构已经能够在实际应用中稳定运行，此时如果想进一步提高散热效率可以考虑合理运用导热绝缘胶来进一步提高散热性能。导热绝缘胶可以满足多种场景下提高电子器件散热性能的需求。然而此方法的缺点在于由于导热绝缘胶是全方位的覆盖在电子器件上，这提高了对电子器件进行维修的成本，简言之，如果使用了导热绝缘胶则在维护性检测时难以全面检测或判断故障成因。除此之外部分结构复杂的电子器件散热结构较为紧密，所以会将导热绝缘胶作为“黏合剂”将各个零部件粘接起来，此种做法也可以发挥导热绝缘胶的性能。总而言之，在使用导热绝缘胶时需要根据实际情况灵活运用，最终实现提高电子器件散热性能的目标。

　　五、新型材料及先进技术的应用

　　(一)微槽平板热管在散热结构中的运用

　　微槽平板热管的原理为:利用蒸汽槽彼此连接的结构特性，减小热管内的蒸汽与液体反向流动而产生的界面摩擦力，因此液体在微槽内的流通性得以提高，最终在一定水平上提高电子器件元件固体表面的传热系数。此前沿技术尚处于研究的初级阶段，我国科研学者在微槽平板热管技术的实际应用上也有所建树，即针对微槽平板热管的两个方面:不同的材料结构例如不锈钢、水铜等以及矩形槽道设计了一系列实验探究其冷却性能的大小。经过实验科研人员获知了最佳导热系数及微槽平板热管较为适宜的充液率区间。为日后在电子器件散热结构中广泛应用微槽平板热管技术打下了坚实的技术基础。

　　(二)导热石墨片在散热结构中的运用

　　导热石墨片是一种新型散热导热材料，首先导热石墨片的分子排列较为规则，所以可以实现在两个方向上均匀散热;其次导热石墨片为片状结构，因此可以很好的应用于电子器件元件的表面。当前在已有的、应用导热石墨片的散热解决方案中，由于导热石墨片同时具备散热性和隔热性，所以成为散热材料中的最前沿的选择。导热石墨片可以大幅提高电子器件的散热性能，即利用其良好的导热、散热性能解决各种电子器件元件的散热难题，同时为各种理论上可行的散热设计提供了材料支持。简言之，导热石墨片的出现及其应用方案能够有效地解决各种电子器件的散热难题，具有广阔的应用前景。

　　结语

　　综上可知，在优化、完善电子器件的散热结构时，首先要考虑的是依据实际应用情况选取导热性能高、较为经济并且可以广泛应用的导热材料，通常来说铝合金是首选的导热材料。少数情况下可以选择铜作为导热材料。其次需要综合多领域学科知识例如热力学理论等优化散热结构。最后可以依据实际情况及自身的一些条件选用前沿的技术、新型导热材料等来提高电子器件散热结构的散热性能，从而使得电力设备在运转过程中始终处于正常温度范围内，最终实现稳定、持续供电的目标。

　　参考文献：

　　[1]刘晓琳，谭春苏，沈顺强，等.电力电子器件常用散热方式及实效探讨[J].科学与财富，2020(3):272.

　　[2]李广义，张俊洪，高键鑫.大功率电力电子器件散热研究综述[J].兵器装备工程学报，2020，268(11):14-20.

　　作者：郭金童

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