1 引言

在風機變流器和光伏并網逆變器的整機設計中，主功率模塊、電抗器及電阻的熱設計是非常關鍵的。要保證上述元器件在許可的溫度下正常工作運行，熱量的分析及散熱設計至關重要。本文通過對電力電子設備的熱分析，能很好解決以上問題。

2熱分析的目的

利用數學手段及通過計算機模擬，在設計階段獲得溫度分布。在設計初期就能發現產品的熱缺陷，從而改進其設計，建立一個滿足可靠性要求的環境溫度控制系統。也就是設計一個冷卻系統，在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻通道，保證熱量順利傳遞出去。控制電子產品內部所有電子元器件的溫度，使其在設備所處的工作環境條件下不超過最高允許溫度，確保電子產品在規定的熱環境下可靠工作。

3 熱設計的核心

設計一個冷卻系統，在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻通道，保證熱量順利傳遞出去。

溫度對電子產品可靠姓影響極大，尤其對半導體器件最為敏感，如下圖所示，幾乎所有電子元器件參數都與溫度有關。

圖 1 電子元器件故障率與溫度的關系

4 熱設計的基本要求

電子產品熱設計應首先根據設備的可靠性指標及設備所處的環境條件確定熱設計目標，熱設計目標一般為設備內部元器件允許的最高溫度，根據熱設計目標及設備的結構、體積、重量等要求進行熱設計，主要包括冷卻方法的選擇、元器件的安裝與布局、印制電路板、電阻、電抗器、變壓器、模塊散熱結構的設計和機箱散熱結構的設計。

電子設備的熱設計要與電路設計和結構設計同時進行，滿足設備可靠性的要求。

熱設計與維修性設計相結合，可提高設備的可維修性。

5 熱設計中術語的定義
⑴ 熱特性：設備或元器件的溫升隨熱環境變化的特性，包括溫度、壓力和流量分布特征。
⑵ 熱流密度：單位面積的熱流量。
⑶ 熱阻：熱量在熱流路徑的阻力。
⑷ 內熱阻：元器件內部發熱部位與表面某部位之間的熱阻。
⑸ 安裝熱阻：元器件與安裝表面之間的熱阻，又叫界面熱阻。
⑹ 溫度穩定：溫度變化率不超過每小時2℃時，稱為溫度穩定。
⑺ 溫度梯度：等溫面的法向方向上單位距離所引起的溫度增量定義為溫度梯度。
⑻ 紊流器：提高流體流動紊流程度并改善散熱效果的裝置。
⑼ 熱沉：是一個無限大的熱容器，其溫度不隨傳遞到它的熱能大小而變化。它也可能是大地、大氣、大體積的水或宇宙，又稱熱地。

6 熱傳遞的三種方式

傳熱的基本形式有傳導、對流和熱輻射三種。

⑴ 傳導散熱是指物體直接接觸時，能量交換的現象。在不同的物體中，其導熱機理各不相同，在非導電固體和液體中，主要依靠物體內部分子運動的彈性波在傳遞熱量。在金屬導體中，主要依靠自由電子的運動傳遞能量。因此，導電性能好的材料，其導熱性能也好，氣體的導熱主要依靠分子的不規則運動傳遞能量。傳導散熱量計算如下：
Q=KA△t/L （1）
式中：
Q——傳導散熱量，W
K——導熱系數，W/m·℃
A——導體橫截面積，m2
△——傳熱路徑兩端溫差，℃
L——傳熱路徑長度，m


⑵ 對流換熱是流體流過固體壁面時的一種能量交換現象，它與流體的宏觀運動密切相關，而且與流體的物理性質以及換熱面的幾何形狀，放置位置等因素有關。在具體研究或計算對流換熱時，應注意計算用的準則方程的限制條件。對流散熱量計算如下：
Q=hA△t （2）
式中：
Q——對流散熱量，W
h——換熱系數，W/m2·℃
A——有效換熱面積，m2
△t——換熱表面與流體溫差，℃