电力电子热管理的未来趋势

在快速发展的电力电子领域，热管理已成为确保设备可靠性、效率和寿命的关键因素。这对于电动汽车等能源密集型行业尤其重要，其中碳化硅(SiC) 和氮化镓 (GaN) 电子电路解决方案(例如逆变器、转换器和充电电路)正在彻底改变这一领域。

介绍

与传统硅开关相比，SiC 和 GaN 器件具有更高的性能水平，因为它们能够在更高的电压和频率下工作，并且开关损耗更低。由于这些原因，它们可以在比过去的电子元件更低的温度下工作。然而，虽然效率更高，但如此高性能不可避免地会产生大量热量，必须有效消散这些热量，以避免组件损坏并确保最佳和安全的运行。设计者采用多种策略来产生尽可能少的热量，从而转化为能量损失。

这些解决方案涉及所用散热器的材料和形状、先进的冷却技术(还涉及液体解决方案)、特殊传感器的主动热控制，当然还有电路和 PCB 的优化设计。所有这些解决方案和行动方法的总和决定了电源电路热系统的改进率。电子元件的冷操作始终是优选的，设计人员采取各种措施来降低温度值。对于电源应用，温度是需要持续关注的关键因素。开关和传导损耗会使设备发热并导致严重故障。

散热器：形状和材料

散热器的作用是交换和传递热量。它通常由金属制成，并释放和散发热量以防止与其连接的设备过热。保持设备的温度尽可能低符合设计者和最终用户的利益。将其安装在设备箱外部始终优于安装在设备箱内。但如果条件需要内部组装，系统必须配备足够的空气流通。需要冷却的组件通过直接接触通过传导将热量传递到散热器。散热器反过来，通过对流将热量分散到周围环境(通常由空气组成)。散热器的设计是真正的艺术品，使用铜和铝等高导热材料可以显着改善传热。

下面介绍由具有不同导热系数的材料制成的三种散热器的不同行为，即：

· 第一个散热器由钢制成，导热系数为 61 mW/mm·°C

· 第二个散热器由锌制成，导热系数为112 mW/mm·°C

· 第三散热片材质为银，导热系数为420 mW/mm·℃

目前，大多数耗散元件由铜或铝制成，因为银太贵了。图中的模拟是在 27°C 的环境温度下进行的，清楚地显示了不同材料之间的良率差异。可以看出，钢的特点是导热率低，因此大部分热量仍然“滞留在”电子设备附近，存在明显的变质风险。另一方面，银的特点是导热率高，因此热量可以很好地分布在散热器的整个表面上，然后通过对流方式传递到空气中。

尺寸和暴露在空气中的表面决定性地决定散热器的效率以及从电子元件到环境的热传递。大多数散热器都是由铝制成的，因为它是优良的热导体并且重量轻。散热器的设计取决于要耗散的额定功率、环境温度以及设计可用的空间。它由翅片组成，可增加暴露在空气中进行冷却的表面积。它们的物理形状旨在优化暴露的表面积。当然，换热面是至关重要的;表面越大，散热器的热阻越低，但要冷却的电气元件的尺寸与散热器本身的散热表面始终需要正确的比率。

只有在最佳使用情况下，散热器的热阻才符合额定数据。该参数取决于尺寸(表面积、厚度)、物理形状、材料、颜色、表面的卫生状态和方向。 显示了环境温度为 27°C 时三种不同铝制散热器的另一个热模拟，突出显示了其表面的温度分布。

从“俯视图”来看，这三个散热器具有相同的二维表面，但具有不同的几何形状：

· 第一个是平板

· 第二个有一系列纵向翅片

· 第三个有一系列更密集和更薄的垂直翅片

三个散热器的温度分布不均匀。最热的区域位于功率应用区域附近，而最冷的区域位于鳍片的末端，距离晶体管最远的点。仿真显示了散热器的几何形状如何影响其散热能力。由于模型设计中采用了厚度，三个暴露表面差异较大，下表列出了它们及其归一化值。

第一散热器是平板，其热交换表面有限，因此呈现最高温度。第二散热器具有较大的热交换表面，因此具有较低的温度。第三个散热器具有最大的热交换表面，因此具有最低的温度。

热部件固定到散热器上的物理形状和位置非常关键，既要确定体积与表面积之间的良好比例，又要使热量有效地传递到环境中。热空气比冷空气轻，因此热量的自然运动是从下到上。垂直放置翅片的散热器比水平放置的散热器在更好的条件下工作。散热器的颜色也有其重要性，影响其性能。黑色散热器可以通过辐射最大限度地扩散热量。裸色或黑色阳极氧化铝是一种极好的解决方案，而其他颜色的质量较差。最后，塑料涂料的热特性很差，因此最好避免使用。在高功率系统中，液体冷却比空气冷却提供更有效的热传递。下表给出了对流传热系数的一些典型值。

它们使用中最关键的一点之一是设备和散热器之间的有效热连接。为此，使用了各种固定方法，例如热粘合剂、机械固定、焊接和热粘贴。

PCB散热器

PCB 散热器是热管理的重要组件，因为它们可以有效散热并防止过热问题。他们的工作重点是降低电路中安装的大功率组件的温度，以将温度保持在安全工作范围内，从而提高设备的可靠性和耐用性。 PCB 散热器采用传导冷却方式运行，热量通过直接接触从热器件传递到散热器。它还通过散热器翅片进行对流冷却，从而增加了暴露于气流的表面积。它还通过辐射冷却进行工作，通过将热量从翅片传递到周围环境来释放电磁辐射。

PCB 散热器设计涉及不同材料的使用，每种材料都有优点和缺点。因此，铝是首选，因为它非常轻且经济，与铜一起，具有较高的导热性，但更重且更昂贵，陶瓷材料，其特点是良好的导热性和电绝缘性，最后是导热塑料，具有较低的导热性。具有导热性，但可以直接成型在 PCB 上。特别重要的是散热片，它增加了暴露于气流的面积。翅片上较高的气流速度可通过自然对流和强制对流增加散热。为了改善散热，可以通过提供更多数量的翅片来增加表面积。此外，可以通过自然通风或强制通风来改善气流。

电池

在强大的能量传输过程中，电池会产生必须散发的热量。由于内部发生化学反应，热量的产生是不可避免的。该热量与功率成正比。在电池快速充电(以及放电)过程中，电池中会产生大量热量。锂离子电池由于充电和放电过程中发生的化学反应而产生热量。在此过程中会产生并积聚热量，严重影响性能、耐用性和安全性。在被动冷却中，空气从电池组的外部流向内部，从而冷却电池组(见图 3)。当车辆移动时，电池组的热量被穿过空间的空气消除，并从另一侧排出。

这种方案通常适用于能量密度较低的电池，但在环境温度较高且散热要求较高的情况下，这种技术并不有效。为了改善冷却，必须添加特殊风扇来提高风速并提高传热系数，从而产生更大的气流。散热除了冷却电池本身外，还旨在减少其退化并增加可传递的能量，因为电池在高温下表现不佳。在电池的热管理中，必须使用温度传感器和控制算法来管理主动热控制。它们可以实时监控设备和电池的温度，以动态调整风扇速度并优化冷却。

具有高冷却速率的高效充电电路对于确保快速安全的电池充电至关重要，尤其是电动汽车的大功率充电电路。这些电路采用先进的电子元件和创新的设计技术，以最大限度地减少充电过程中的能量损失。效率是限制能源消耗、最重要的是延长电池寿命的关键。高效冷却至关重要，因为快速充电过程中产生的高电流和高电压会产生热量，从而损坏电子元件并影响电池性能。

结论

热管理是电子电路设计中的一个关键方面，特别是对于用于车辆应用的高功率电路。选择适当的冷却解决方案，例如安全可靠的散热器和强制通风系统，对于确保组件的可靠性和使用寿命至关重要。随着电子设备功率密度的增加，技术的发展使得热管理成为越来越重要的挑战。

然而，材料、冷却技术和热控制方面的持续创新为克服这些挑战和提高电源电路的性能提供了有希望的机会。电动汽车等行业从先进的热管理策略中受益匪浅。能源效率对于最大限度地提高电动汽车的自主性至关重要，它与有效冷却逆变器、电机和电池组的能力密切相关。投资尖端热管理解决方案不仅可以提高电子设备的性能和可靠性，还可以为采用 SiC 和 GaN 器件等新兴技术铺平道路，这些技术有望彻底改变电力电子行业。