熱設(shè)計(jì)中的不確定因素

熱設(shè)計(jì)中的不確定因素Page1第1頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱損耗熱阻散熱器環(huán)境條件風(fēng)機(jī)導(dǎo)線仿真測(cè)試第2頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱設(shè)計(jì)不確定因素的重要性Page3不確定性設(shè)計(jì)決策改進(jìn)依據(jù)結(jié)果預(yù)測(cè)第3頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱損耗熱損耗隨時(shí)間變化Page4工程中，熱損耗一般作平均處理。但是，以IGBT為例，對(duì)于負(fù)載電流頻率較低而自身熱容又較小時(shí)，實(shí)際溫升波動(dòng)會(huì)較大。第4頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱損耗熱損耗隨溫度變化Page5對(duì)于金屬導(dǎo)電的焦耳熱來(lái)說(shuō)，熱量與電阻率成正比，若金屬的電阻率溫度系數(shù)為0.004，則溫度升高100K時(shí)，發(fā)熱量將增大40%。一般鐵芯熱功耗首先會(huì)隨著溫度下降，之后再逐漸上升。某鐵芯材料的熱損耗隨著溫度的變化第5頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱損耗多個(gè)熱源Page6現(xiàn)在多芯片封裝的器件越來(lái)越多得到應(yīng)用，若IGBT模塊封裝中包含了多個(gè)IGBT芯片和二極管芯片，一方面這些芯片不是同時(shí)工作，另外方面這些芯片的發(fā)熱量有所不同。這都給精確計(jì)算熱源提出了新的挑戰(zhàn)。第6頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱阻接觸熱阻Page7接觸熱阻產(chǎn)生的原因是粗糙度的絕對(duì)存在，而這些微小的縫隙中的空氣是不良導(dǎo)體，其導(dǎo)熱系數(shù)可以相差2-3個(gè)數(shù)量級(jí)；接觸熱阻的影響因素主要是接觸面的粗糙度、結(jié)合的壓緊力、縫隙的含氣量；由于接觸熱阻的模型及其復(fù)雜，接觸面的微觀形態(tài)無(wú)法精細(xì)建模，因此沒(méi)有精確計(jì)算和預(yù)測(cè)的手段，只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)值和實(shí)際測(cè)量來(lái)獲取。第7頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱阻沸騰換熱Page8豎直上升豎直下降水平流動(dòng)沸騰換熱的形態(tài)和性能影響因素非常多，包括容器形狀、擺放角度、流速、壓力、吸熱功率、氣液比例、流體性質(zhì)等。以下展現(xiàn)了幾種直管中的典型沸騰流型，每種擺放角度下不同的氣液比例的情況，可見(jiàn)其流動(dòng)非常復(fù)雜。第8頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱阻沸騰換熱Page9U型管在換熱器中是常用結(jié)構(gòu)，由于重力的影響，U型口朝上和朝下的形態(tài)差異較大，因此在豎直放置的換熱器中兩相流不夠穩(wěn)定，其換熱能力的計(jì)算與實(shí)際值也會(huì)有非常大的差別。下圖展示的是不同氣液比例下的U型開(kāi)口朝上和朝下的各種形態(tài)。第9頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱阻熱界面材料受壓力的影響Page10下圖顯示了兩款厚度為0.508mm，導(dǎo)熱系數(shù)為3W/(m*K)的導(dǎo)熱片在不同壓力下的導(dǎo)熱性能。其中，藍(lán)色曲線所代表的材料硬度更低，受壓后可以更容易將空氣排出，相應(yīng)的熱阻更低。

第10頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱阻導(dǎo)熱硅脂的老化Page11由于導(dǎo)熱硅脂是硅油和導(dǎo)熱填料混合而成的高導(dǎo)熱系數(shù)的硅脂，在長(zhǎng)時(shí)間高溫作用下，其中的基質(zhì)會(huì)揮發(fā)，從而影響導(dǎo)其粘度，填充性能，繼而影響導(dǎo)熱性，使得熱阻上升。下圖表示在150℃條件下的不同基質(zhì)的重量減少規(guī)律。第11頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱阻導(dǎo)熱硅脂的涂抹方式Page12實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)熱硅脂的熱阻與涂抹方式有很大關(guān)系，需要根據(jù)涂抹面積、熱源與散熱器的緊固方式、硅脂粘度等因素來(lái)考慮。好的絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以增加硅脂的實(shí)際覆蓋面積，減少硅脂用量（厚度）。第12頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日散熱器散熱器的組裝工藝Page13切削工藝擠壓工藝粘接工藝翅片與基板的連接有多種不同工藝，從傳熱的角度來(lái)說(shuō)，一方面，各種工藝的接觸熱阻會(huì)有所區(qū)別，另一方面，由于連接的不確定性，各個(gè)翅片的熱阻一致性會(huì)有一定差別，導(dǎo)致基板的不均溫問(wèn)題。下圖是三種不同工藝的示意。第13頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日散熱器散熱器的材質(zhì)Page14對(duì)于風(fēng)冷散熱器來(lái)說(shuō)，熱阻集中在對(duì)流換熱，材質(zhì)自身導(dǎo)熱所占比重較?。坏渖崞鱽?lái)說(shuō)，材料自身導(dǎo)熱所占比重較大。常用散熱器的材料為鋁或銅合金，根據(jù)實(shí)際成分特性可以相差較大。如鋁合金6061-T4和6061-T6導(dǎo)熱系數(shù)分別為154W/(mK)和167W/(mK)，相差8%。在設(shè)計(jì)散熱器時(shí)，材質(zhì)的選擇對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響是很大的，因此對(duì)最終熱阻的影響也是巨大的。第14頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日散熱器表面發(fā)射率Page15對(duì)于自然散熱的情況，表面熱輻射的作用就比較明顯。在進(jìn)行產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)時(shí)，一般不會(huì)對(duì)實(shí)際表面發(fā)射率進(jìn)行測(cè)量，而是采用了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這就造成了一定的不確定性。材質(zhì)的不同，以及相同材質(zhì)的表面處理不同，都會(huì)導(dǎo)致發(fā)射率的變化，比如鋁表面裸露的發(fā)射率約0.1，而表面氧化處理后可達(dá)0.8-0.95。第15頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日散熱器熱管的安裝角度Page16大量實(shí)驗(yàn)表明，傾斜角度對(duì)不同類型的熱管影響差別很大，如下圖所示。溝槽式影響最大，安裝傾斜角度<-30°甚至無(wú)法形成循環(huán)。因此在同樣的型號(hào)，在不同的產(chǎn)品上，甚至同一個(gè)產(chǎn)品的不同實(shí)際應(yīng)用環(huán)境（如坡度），都會(huì)有不同的性能表現(xiàn)。第16頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日散熱器熱管的工藝Page17熱管進(jìn)行一些成型加工（如折彎、打扁）后，其傳熱能力有所減弱。對(duì)于不同直徑的熱管，有建議的折彎半徑，如果實(shí)際小于建議值，傳熱能力會(huì)大幅度下降。熱管和基板及翅片之間的良好接觸是發(fā)揮熱管散熱器能力的關(guān)鍵，目前有膠水粘接、焊接、機(jī)械壓接幾種。如果工藝參數(shù)控制不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生巨大的個(gè)體差異，即便是把控較好時(shí)，不同批次或者同一批次中都會(huì)有一定差異。第17頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日環(huán)境條件灰塵的影響Page18對(duì)于熱設(shè)計(jì)而言，濾網(wǎng)和柵格是一個(gè)重要阻力來(lái)源，而其阻力特性會(huì)因?yàn)楦街幕覊m或義務(wù)而增加。在長(zhǎng)期處于高粉塵環(huán)境中，濾網(wǎng)需要定期檢查和更換，而設(shè)計(jì)階段是很難精確估計(jì)粉塵額實(shí)際影響的。下圖是灰塵量與濾網(wǎng)阻力以及灰塵阻擋率的變化。第18頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日環(huán)境條件海拔的影響Page19海拔高度對(duì)應(yīng)大氣壓力和空氣密度某型風(fēng)機(jī)平原與4500m高原P-Q曲線高海拔會(huì)帶來(lái)更低的空氣壓力和空氣密度，空氣密度會(huì)影響電子設(shè)備的絕緣、風(fēng)機(jī)質(zhì)量流量、對(duì)流換熱系數(shù)等；對(duì)于自然對(duì)流來(lái)說(shuō)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)一般正比于空氣壓力的平方根；高海拔的產(chǎn)品一般會(huì)需要一定的降容，以滿足其散熱需求。第19頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日環(huán)境條件空氣濕度的影響Page20空氣的濕度會(huì)影響空氣密度、比熱、粘度和導(dǎo)熱系數(shù)等直接與對(duì)流相關(guān)的參數(shù)，因此會(huì)對(duì)散熱造成影響。凝露的發(fā)生，對(duì)于散熱條件也會(huì)有相當(dāng)大的影響。由于凝露會(huì)放熱，在有柜內(nèi)冷卻的系統(tǒng)中，會(huì)消耗冷卻系統(tǒng)的冷量。第20頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日環(huán)境條件溫度的影響Page21環(huán)境溫度會(huì)影響電子設(shè)備表面的對(duì)流換熱系數(shù)和輻射換熱量，因此溫升并非是一個(gè)定值，而是會(huì)隨著環(huán)溫變化的。假設(shè)有一塊100×160×1.6的PCB板，表面發(fā)射率為0.9，功耗10W。有如下兩個(gè)圖的變化規(guī)律?？梢?jiàn)，環(huán)溫的升高，PCB的輻射散熱能力會(huì)增強(qiáng)，而隨之帶來(lái)的是，溫升會(huì)隨著環(huán)溫的升高而降低。若是強(qiáng)迫對(duì)流，環(huán)溫對(duì)換熱系數(shù)的影響非常小。第21頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日風(fēng)機(jī)出風(fēng)特性Page22對(duì)于軸流風(fēng)機(jī)而言，出風(fēng)具有我們平時(shí)說(shuō)的旋轉(zhuǎn)特性。進(jìn)出口壓差越大，旋轉(zhuǎn)出風(fēng)效應(yīng)越明顯；元器件若處于軸流風(fēng)機(jī)的出口處，對(duì)風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)會(huì)有很大的影響；對(duì)于離心風(fēng)機(jī)而言，出風(fēng)同樣具有一定的角度，因此有遠(yuǎn)見(jiàn)處于出風(fēng)口時(shí)，需要確定其是否在氣流的路徑上；另外，兩個(gè)或更多的風(fēng)機(jī)較為接近時(shí)，這個(gè)特性會(huì)嚴(yán)重影響到其工作點(diǎn)和效率，因此在應(yīng)用時(shí)需要著重考慮。第22頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日風(fēng)機(jī)電壓的影響Page23風(fēng)機(jī)的輸入電壓不同，其轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化，因此特性曲線也會(huì)發(fā)生變化；在風(fēng)機(jī)的應(yīng)用中，供電電壓應(yīng)嚴(yán)格控制在其樣本的允許范圍內(nèi)，如有條件最好能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控其電壓值；下圖是某風(fēng)機(jī)在不同電壓下的特性曲線。第23頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日風(fēng)機(jī)串并聯(lián)特性Page24在理論計(jì)算中，我們往往將風(fēng)機(jī)串聯(lián)認(rèn)為是風(fēng)量不變，壓頭累加的，并聯(lián)則是壓頭不變，風(fēng)量累加；實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)相同的風(fēng)機(jī)串聯(lián)起來(lái)，其壓頭可能只有單個(gè)風(fēng)機(jī)的1.6倍左右；實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)相同的風(fēng)機(jī)并聯(lián)起來(lái)，其流量可能只有單個(gè)風(fēng)機(jī)的1.6倍左右；這點(diǎn)是由于串并聯(lián)的風(fēng)機(jī)會(huì)互相影響流場(chǎng)，從而降低氣動(dòng)效率，使得總體風(fēng)量或風(fēng)壓一定程度的下降。第24頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日導(dǎo)線對(duì)流動(dòng)的阻礙Page25內(nèi)部空間狹小，高熱流密度的電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)思路是在內(nèi)部設(shè)計(jì)幾條空氣流動(dòng)通道。將高發(fā)熱量和熱敏感元件放在這個(gè)通道的兩側(cè)。電子設(shè)備內(nèi)部的導(dǎo)線在布置時(shí)應(yīng)盡量不要占用這些主要風(fēng)道，也不要緊貼散熱器或者元器件散熱表面。導(dǎo)線的散熱能力導(dǎo)線是一個(gè)發(fā)熱源也是個(gè)散熱途徑。比如在小型斷路器中有超過(guò)50%的熱量都是從導(dǎo)線散走的，同樣的，在變流器中，銅排是可以起到一定均溫的作用。第25頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日導(dǎo)線PCB導(dǎo)熱參數(shù)Page26由于PCB上的銅層及開(kāi)孔非常復(fù)雜，而銅層和絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此各個(gè)局部的導(dǎo)熱能力差別很大。目前PCB仿真建模的通用方式是采用等效導(dǎo)熱系數(shù)，將其等效成各向異性的板子。參考以下公式。如果確有必要進(jìn)行精細(xì)建模和仿真，則可以使用更專業(yè)的工具，將PCB的銅層和過(guò)孔的圖樣直接導(dǎo)入軟件進(jìn)行建模，但會(huì)占用更多計(jì)算資源。第26頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日導(dǎo)線PCB局部發(fā)熱Page27PCB板上的元件是通過(guò)PCB的銅層來(lái)供電，電流經(jīng)過(guò)銅層會(huì)發(fā)熱，由于局部電流密度各有不同，銅層的發(fā)熱是不均勻的，同時(shí)也影響到了PCB板上的其他元件。因此，在對(duì)熱源進(jìn)行計(jì)算時(shí)，這部分熱量是非常重要的，不可忽略的。下圖是一塊PCB板的銅層熱流密度及其表面溫度分布。第27頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日導(dǎo)線PCB與外殼的接觸Page28對(duì)于單板上大多數(shù)自然散熱的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，元件（無(wú)散熱器）80%以上的發(fā)熱量會(huì)通過(guò)PCB散走。因此，作為關(guān)鍵散熱元件，我們不僅要考慮PCB的導(dǎo)熱性能，還要考慮PCB與外殼之間的導(dǎo)熱路徑，下圖展示了幾種不同的緊固方式及其熱阻值。為了增強(qiáng)接觸點(diǎn)的導(dǎo)熱，有時(shí)我們會(huì)涂抹導(dǎo)熱硅脂以降低接觸熱阻。第28頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日仿真模型誤差Page29模型結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特性上的誤差，細(xì)節(jié)與數(shù)據(jù)量及計(jì)算量相關(guān)，為了在精度和工作量之間找一個(gè)平衡，必須容許一定程度的建模誤差；熱源模型與真實(shí)情況之間的誤差，是由于其獲取渠道是供應(yīng)商的數(shù)據(jù)或者經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很難獲取，甚至依賴精細(xì)化仿真的數(shù)據(jù)都很難獲??；第29頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日仿真網(wǎng)格獨(dú)立性誤差Page30網(wǎng)格獨(dú)立性主要是為了消除網(wǎng)格對(duì)于仿真的影響。主要思想是在某一數(shù)量網(wǎng)格基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步加密網(wǎng)格，得到的仿真結(jié)果與之前沒(méi)有變化或變化極小，此時(shí)可認(rèn)為仿真結(jié)果與網(wǎng)格無(wú)關(guān)。這一點(diǎn)尤其體現(xiàn)在接近近壁面的處理上，下圖展示了邊界層網(wǎng)格數(shù)與計(jì)算結(jié)果的關(guān)系曲線，可以認(rèn)為，14個(gè)網(wǎng)格時(shí)，已經(jīng)達(dá)到了網(wǎng)格獨(dú)立解。第30頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱測(cè)試探頭固有誤差Page31熱點(diǎn)偶和熱電阻是最常用的溫度測(cè)量方式，其原理是將溫度量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量來(lái)測(cè)量。根據(jù)線材不同，熱電偶可以分為銅-銅鎳型（T型）、鎳鉻-鎳硅型（K型）等，根據(jù)精度不同，熱電阻可分為PT100和PT1000等型號(hào)。誤差是這些探頭的固有特性，是無(wú)法消除的，根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的測(cè)量范圍，可以一定程度降低其誤差。下圖列舉了一些典型熱電偶的特性。第31頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱測(cè)試粘連方式帶來(lái)的誤差Page32溫度探頭的測(cè)溫原理是通過(guò)導(dǎo)熱，與被測(cè)物體達(dá)到熱平衡，即探頭溫度等于被測(cè)點(diǎn)溫度。因此導(dǎo)熱能力將影響到測(cè)量精度和響應(yīng)速度，為了測(cè)量，探頭是需要安裝在被測(cè)物體上的，一般是通過(guò)導(dǎo)熱膠粘接的方式，探頭也要盡可能接近被測(cè)點(diǎn)，這樣可以減少探頭自身的散熱所帶來(lái)的誤差，有時(shí)候?yàn)榱烁_的測(cè)量，我們會(huì)采取一定的保溫手段，來(lái)降低熱流所帶來(lái)的溫度梯度。第32頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱測(cè)試信號(hào)采集的誤差Page33溫度測(cè)量得到的是模擬信號(hào)，容易收到干擾，尤其與供電電纜接近時(shí)如此，或者是惡劣的電磁環(huán)境（比如電抗器測(cè)溫），更需要著重考慮電磁兼容設(shè)計(jì)。如有條件，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸會(huì)更好，而模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程又會(huì)帶來(lái)一定的誤差。下圖展示了一種光纖測(cè)溫儀。第33頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱測(cè)試熱成像儀的誤差Page34紅外成像是通過(guò)熱源紅外輻射能量進(jìn)行溫度測(cè)量，而被測(cè)區(qū)域可能有多種材料，以至于表面發(fā)射率有差別。紅外成像