（交通信息工程及控制专业论文）电力电子器件散热片的电磁辐射特性研究.pdf

捅璺 f 【由于电力电子装鬻的不断高频化，将产生严重的电磁骚扰，干扰其它敏感设备 一静求蜡工作。而作为电力电子装置中必不可少的部件一散热片与主要能量源相隔很 近，且一般情况下其材料是金属的。当散热片的尺寸与能量源的波长可比拟时，其 会增加电力电子装置的总的射频电磁辐射，而且散热片几何形状复杂，具有多频带 的射频辐射特性，并安装在设备外部，因而，散热片很可能在一个或多个开关频率 上起有效天线的作用，这些增加的电磁辐射可能会对周围的电子设备造成干扰引起 误动作。电力电子器件与散热片间存在耦合电容，其是电力电子电路产生共模辐射 的主要原因之一。因此，作者对散热片电磁特性进行研究，试图定性、定量地确定 散热片对电力电子装置的辐射特性影响，进而给出了减小教热片电磁特性影响的措 施，确保整个e m c 性能达标。 当前国内外对散热片电磁兼容性的研究很少，主要有两大部分的内容。一方面 是从散热片的电磁发射特性出发，另一方面是研究散热片对电子器件的噪声敏感度 的影响0 1 本文主要研究散热片的电磁发射的相关问题。 采角m u r 2 吸收边界条件、多种激励源设置、时域近远场变换等方法，编制了 针对电力电子器件上散热片的电磁辐射问题的f d t d 程序。该程序的特点是考虑了 实际激励源的特性( 如d c d c 回路) ，并充分考虑了散热片和电力电子装置作用下 的模型，包括求解电力电子器件与散热片间的耦合电容以及时频域变换等等。 给出了散热片与d c d c 回路作用的模型，采用f d t d 计算了散热片对d c - d c 四路电磁特性的影响。结果表明电磁场集中在回路范围内。因此在设计电路时，应 避免导线回路的出现。而且1 0 c m 量级的散热片并没有显著加大兆赫频率激励源的 电磁辐射，相反某些位置的金属散热片会吸收一部分电磁场，从而减小了整个空间 的电磁辐射。因此可以这么说：兆赫频段散热片对整个电路的电磁辐射特性不会产 生显著性影响。所以作者在以后的章节中主要讨论吉赫频段散热片对整个电力电子 电路的影响。 一一i 散热片与电力电子器件刚的电容耦合是电力电子电路产生共模辐射的主要原因 之一。其对研究电力电子器件的辐射发射特别重要。然而长期以来人们计算该电容 时都是采用静电场推导的电容公式近似。但在高频段，散热片和功率器件的尺寸与 波长十日比拟，分布参数影响了陔耦合电容的取值。作者提出了采用f d t d 法计算高 频平行板耦合电容的构想，在电力电子器件散热片的计算模型中予以实现。结果表 明，该耦合电容已经不能看作是简单常数，而是时变、频变的量。且在较低频段 随频率升高快速减小。其数值与激励源的波形有关；对于本文所建的模型偏移中心 北方交通人学博j 。论文摘要 激励耦合电容减小：散热片的鳍对耦合电容影响很小；绝缘层相对介电常数越小， 电导率越大，厚度越厚，电力电子器件尺寸越小，得到的高频耦合电容越小，但不 是线性变化。所以在实际散热片的选择和安装过程前都必须对其的耦合电容进行预 测，以期在满足散热要求的条件下得到最小的耦合电容。结论说明，我们不能用静 电场推导的电容公式简单计算频率很高时的耦合电容，也可以这么说，某些低频时 建立的概念解释不了频率很高时的物理现象。7 研究了在频率很高时减小电磁辐射的几种方案，包括接地、屏蔽、改变激励源 的位置。给出了接地增益的概念，可童接反映接地的效果。散热片的接地位置不同， 对散热片的电磁特性会有影响。且接地点的个数越多并不意味着电磁特性的改善。 接地在低频段比高频段效果明显。选择四边中心接地方式，会有较好的效果。加屏 蔽层后电场明显减小。但是对于不同的测试点屏蔽的效果不同。采用加屏蔽层这种 减小耦合电容的方法对于减低远场辐射效果也很明显。电力电子器件不应该靠近散 热片边缘，而应该靠近散热片中心。而且器件靠近中心。热性能良好，产生的e m i 激励散热片的谐振也可能更小。如果散热片尺寸大的话，不将器件安装在散热片两 端尤为重要。 f 对于主要作用是减小电子器件工作温度的散热片来说，不光要考虑良好的电磁 兼容特性良好的散热特性更为重要。而且电磁场也可能会影响散热片的散热特性。 作者将热传播特性与电磁兼容性综合，把导热微分方程离散化后结合到经典的f d t d 方程中，计算连续脉冲电磁激励源激励下散热片上的温度分布。结果表明：由于电 磁场辐射引起的温升很小，对于本文所建的电力电子器件散热片模型和激励源只有 1 0 。数量级。且温度升的空间分布和电场强度的分布一致。需要进一步研究空气对 流对散热片散热的作用，以期达到散热片的散 电磁兼容指标的前提下，使散热效率最高 还需要进一步研究散热片上小孔，小缝对 热与电磁兼容性的折衷，也就是满足 电磁特性产生影响，以及采用散热片 的电力电子器件中多个激励源的综合作用。为电力电子装置的电磁兼容问题解决提 供更多的指导。 关键词：f d t d 散热片辐射发射高频耦合电容礁爆 a b s t r a c t a p o w e r e l e c t r o n i cs y s t e mp r o d u c e ss e r i o u se l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c ef o ri t sh i g h s w i t c h i n gf r e q u e n c y , w h i c ha f f e c tt h en o r m a lo p e r a t i o no f t h eo t h e rs e n s i t i v ee q u i p m e n t t y p i c a l l ym e t a l l i ch c a t s i n ki si nc l o s ep r o x i m i t yt om a j o re n e r g ys o u r c e i nt h el i g h to f e v e r - i n c r e a s i n gp o w e rl e v e l s ，t h e h e a t s i n ki sa ni n d i s p e n s a b l ec o m p o n e n ti np o w e r e l e c t r o n i c s y s t e m i fd i m e n s i o n s o ft h eh c a t s i n ks t r u c t u r e a 坞a p p r o x i m a t e t ot h e w a v e l e n g t h so fc o n c e r n ，t h eh e a t s i n kw i l lc h a n g et h e r fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o no f p o w e r e l e c t r o n i c s f o re f f e c t i v eo p e r a t i o n ，t h eh e a t s i n ko f t e nb a t sac o m p l i c a t e dg e o m e t r y a n dr e q u i r ee x t e r m d m o u n t i n g ，t h u sl e a d i n g t oap r i m e $ o u r c ee m i b e i n gm o u n t i n gd i r e c t l y o n t oa ne x t e r n a lh e a t s i n kw h i c hm a yh a v em u l t i b a n dr f r a d i a t i n gc h a r a c t e f i s t i e s h e n c e ， t h e r ei st h ep o s s i b i l i t yo ft h eh c a t s i n ka c t i n ga sa l le f f e c f i v ea n t e n n aa to n eo rm o r e h a r m o n i c so ft h es w i t c h i n gf r e q u e n c ya n dt h u sc o m p r o m i s i n gt h ee m c p e r f o r m a n c e o f t h e e q u i p m e n t t h eo b j e c t sa r et oi d e n t i f ya n dq u a n t i f yt h ee f f e c t so f t h eh e a t s i n ko n r a d i a t i n g p r o p e r t i e so fp o w e re l e c t r o n i c s ，t ou n d e r s t a n da n de x p l o i tt h er a d i a t i o nm e c h a n i s m s a n dt o e v a l u a t ev i a b l ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o df o rm i n i m i z i n gt h eo v e r a l lr a d i a t i n gc a p a c i t ya n d e n s u r i n ge m c o f s y s t e m s t h es t a t e o f - t h e a r tr e s e a r c hw o r ko ft h ee m co fh e a t s i n kh a sb e e nr e v i e w e di nt h i s p hd t h e s i s w h i c hi n c l u d et w od i f t e r e n td i r e c t i o n s o n ei st h er a d i a t i o ne m i s s i o no ft h e h e a t s i n k ，a n o t h e ri st os t u d yt h ei n f l u e n c eo fh e a t s i n ko nn o i s es u s c e p t i b i l i t yo fi c s o m e r e l a t e ds t u d i e sa b o u te m i s s i o no f h e a t s i n ka r ei n c l u d e di nt h i st h e s i s f d t dc o d ec a l c u l a t i n ge l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o no f h e a t s i n ki np o w e re l e c t r o n i c sh a s b e e n d e v e l o p e du s i n gm u r 2a b s o r b i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n ，a c t u a le x c i t a t i o ns o u r c e ，t i m e - f r e q u e n c yd o m a i nt r a n s f o r m a t i o na n dn e a r 一衙f i e l dt r a n s f o r m a t i o n t h eo b j e c t i v eo f t h i s c o d ei st os t u d ye l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i cc o n s i d e r i n ga c t u a ls o u r c 沱w a v e f o r ma n d p o s i t i o na n di n c l u d i n g d i f f e r e n ts h a p eh e a t s i n k am o d e lo fd c d cc i r c u i t l o o p a n dh e a t s i n ki ss t u d i e d i ti ss h o w nt h a tm o s t e l e c t r o m a g n e t i ce n e r g yi s n e a rc i r c u i tl o o p s oi nt h ed e s i g no fc i r c u i t ，c o n d u c t o rl o o p s s h o u l db ea v o i d e d a1 0 c mh e a t s i n kd o e s n t a l w a y s a d de l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o no f e x c i t a t i o ns o u r c eo fm h zf r e q u e n c yb a n d f o re x a m p l e ，m e t a l l i ch e a t s i n ki ns o m e l o c a t i o n sm a ya b s o r be l e c t r o m a g n e t i ce n e r g y ，i ti sp o s s i b l et h a te l e c t r o f i a a g n e t i cr a d i a t i o n i sl e s s e n e d c o u p l i n gc a p a c i t a n c eb e t w e e n t h eh e a t s i n ka n dt h ep o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sp r o d u c e s c o m m o n - m o d ee m i s s i o n o fp o w e re l e c t r o n i c e q u i p m e n t ，w h i c h i s v e r yi m p o r t a n t t o r a d i a t i o ne m i s s i o n i ti sc o n s i d e r e da sac o n s t a n tt h a ti sc a l c u l a t e db ys t a t i c - c l e c t r i cf i e l d c a p a c i t a n c ee q u a t i o nf o r al o n gt i m e h o w e v e r , i ft h es i z e so ft h eh e a t s i n ka n dd e v i c e sa r e p r o x i m a t et ow a v e l e n g t hi nh i g hf r e q u e n c y , d i s t r i b u t e dp a r a m e t e r sa f f e c tt h ev a l u eo f t h e c a p a c i t a n c e a n di ti sn o ta l s op r a c t i c a lt h a tc o m p l i c a t e d h e a t s i n ki sc o n s i d e r e da sa p a r a l l e l p l a t ec a p a c i t a n c en e g l e c t i n gi t ss h a p ea n d e l e c t r i cp a r a m e t e r s i nt h i st h e s i sc a l c u l a t i o no f c o u p l i n gc a p a c i t a n c eb e t w e e nt h eh e 咀t s i n ka n dt h ep o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sb yf d t d m e t h o di sp r e s e n t e d t h ea d v a n t a g eo ft h i sm & t h o di sp r a n d c a li n c l u d i n gt h ei n f o r m a t i o n a b o u te l e c t r i cp a r a m e t e r , s i z eo fm a t e r i a l s i ti ss h o w nt h a tc o u p l i n gc a p a c i t a n c ec a n n o tb e c o n s i d e r e da sac o n s t a n t ，b u taf u n c t i o no f t i m ea n df r e q u e n c y c o u p l ec a p a c i t a n c ei nh i g h f r e q u e n c yc a n n o tb ec a l c u l a t e ds i m p l yb y s t a t i c - e l e c t r i cf i e l d c a p a c i t a n c ee q u a t i o n i t m e a n st h a th i g hf r e q u e n c yp h y s i c a lp h e n o m e n o nc a n n o tb cc o m p r e h e n d e du s i n gc o n c e p t w h i c hb ec r e a t e di nl o w f r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i cm i n i m i z a t i o n m e t h o d si n h i g hf r e q u e n c ya r es t u d i e d ，i n c l u d i n g g r o u n d i n g ，s h i e l d i n g ，s o u r c el o c a t i o n g r o u n d i n gg a i nc o n c e p ti sp r e s e n t e dw h i c he x p r e s s t h e g r o u n d i n g e f f e c t s d i r e c t l y , d i f f e r e n tg r o u n d i n gp o s i t i o n a f f e c t e l e c t r o m a g n e t i c c h a r a c t e r i s t i c so fh e a t s i n k ，a n dm o r eg r o u n d i n gp o s i t i o n sd o n tm e a nm o r ei m p r o v e m e n to f e l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c s g r o u n d i n gg a i ni sb i g g e r i nl o wf r e q u e n c yt h a nh i g h f r e q u e n c y ，t h el o c a t i o no f c e n t e r so ff o u re d g e si ss e l e c t e df o rl i u l ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d l e s s o n sa f t e rs h i e l d i n gl a y e ri sa d d e d p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s s h o u l db ea tt h ec e n t e ro ft h eh e a t s i n k ，n o tt h ee d g e so fh e a t s i n k b u ti ti se a s i e rt o i m p l e m e n td e v i c e sn e a r i t s e d g e sf o ra c t u a lo p e r a t i o n m o r e o v e r , i fd e v i c e i sn e a rt h e c e n t e ro ft h eh e a t s i n k ，h e a ti sd i s s i p a t e dm o r ee a s i l y e s p e c i a l l yt ob i gs i z eh e a t s i n k ，i t s m o r ei m p o h a n tt h a td e v i c e sd o n tb ei m p l e m e n t e da ti t se d g e s f i n a l l y t h ei d e ao ft r a d e o f fb e t w e e ne m ca n dh e a td i s s i p a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci s p r e s e n t e d ，a n dh e a tt r a n s p o r te q u a t i o n i sc o m b i n e di n t om a x w e l lf d t de q u a t i o n s o t e m p e r a t u r ef i l e da n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l dw i l lb e a t t a i n e db yo n ec a l c u l a t i o n i ti ss h o w n t h a t t e m p e r a t u r e r i s eo c c u r si n s i d et h es o l i da n d t e m p e r a t u r e r i s e r e s u l t i n g f r o m e l e c t r o m a g n e t i cf i e l di sv e r ys m a l l ，w h i c hi so n l yo ft h eo r d e ro f1 0 a t ot h em o d e lo f p o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e si nt h i st h e s i s s p a c ed i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r er i s ec o r r e s p o n d s t oe l e c t r i cf i e l d k e yw o r d s ：f d t d ，h e a t s i n k ，r a d i a t i o ne m i s s i o n ，c o u p l i n gc a p a c i t a n c e ，g r o u n d i n g ， s h i e l d i n g v 北方交通大学博l ：i g 义第一章绪论 第一章绪论 散热片作为保障电器件在正常温度下工作的一个必不可少的器件，在电路设计 中发挥着越来越重要的作用。而散热片是金属的，与主要能量源相隔很近，很容易 引起一系列的电磁干扰问题。随着电路的工作频率及其谐波升至吉赫频段，散热片 造成的电磁干扰现象越来越明显。本章回顾了自九十年代初以来散热片电磁兼容问 题的研究成果，据此给出了本文研究用于电力电子器件散热片的电磁辐射特性的相 关问题的基本算法一时域有限差分( f d t d ) 法。 1 1 前言 1 1 1 电力电子装置的高频化及其电磁兼容( e m c ) 问题 由于电力电子装置具有高效电能转换的特点，近期得到了迅速的发展。开关电 源及变频系统是其在电子信息产业中的主要应用，计算机微处理器的速度提高到吉 赫又与负载电流的供给速度有关，因此研究高速的电力电子装置十分迫切。但是电 力电子装置的高频化又会产生强烈的电磁骚扰，干扰其它敏感设备的正常工作。随 着频率的升高，波长减小，金属散热片的尺寸和电力电子装置电磁辐射的波长可比 拟，且其与主要的激励源相隔很近，是影响电力电子装置电磁兼容性的主要部件。 功率变换电路是电力电子装置的重要组成部分。研究表明，功率开关变换电路 换流过程中产生相当高的电流和电压变化率( 即d i d t 和d v d t ) ，这是引发严重电磁 干扰的源头。目前d i d t 和d v d t 都已达到相当高的水平：4 0 0 a 的电流可在1 1 t s 关断 ( o 4 a n s ) ，而且预计已具备1 a n s 的能力，而2 v n s 、3 v n s 的电压变化率已经很 寻常口】。电力电子装置产生的电磁干扰不仅威胁到其本身乃至与其相关其它屯子设 备的f 常工作，甚至通过各种途径耦合到电网，并对周边环境造成严重电磁污染， 正越来越引起广泛的关注。 1 1 2 散热的重要性 任何电装置工作时，其损耗功率的相当大的部分是以热能的形式散发出来的， 实际上，在电装置内部，任何具有实际电阻的载流元件都是一个热源。其中较大的 热源是变压器、大功率晶体管、扼流圈和大功率电阻等。这样当电装置工作时，会 产生热量，如果热量没有及时的散发出去的话，温度就会升高。电装置内部的元器 件都有一定的工作温度范围( 表1 1 ) ，若超过其极限温度，就要引起工作状态的改 北方交如人学博i ：论文第一章绪论 变，寿命缩短甚至损坏。 表1 i 常_ l = i j 元器件和绝缘材料的允许工作温度 t a b l e1 i w o r k i n gt e m p e r a t u r eo f c o m m o nc o m p o n e n t a n dd i e l e c t r i cm a t e r i a l 元器件名称表面允许元器件名称表面允许材料名称表面允许 温度( )泪度( )温度( ) 变压器9 5电解电容器6 0 4 8 5环氧树脂1 4 0 扼流圈9 5薄膜电容器6 0 1 3 0有机硅树脂1 8 0 碳膜电阻1 2 0云母电容嚣7 0 1 2 0聚荤乙烯7 0 金属膜电阻l o o纸介电容器7 5 8 5介质有机玻璃7 8 体积碳质电阻器1 5 0陶瓷电容嚣8 0 8 5硬橡皮8 0 钯膜电阻器 2 0 0 玻璃冉瓷电窖嚣 2 聚氯乙烯8 5 9 0 印制电阻器8 5锗晶体管7 0 l 漫溃橡织品1 1 0 印制线绕电阻器 1 5 0硅晶体管1 5 0 聚酰酿( 尼龙) 1 4 0 涤线绕电阻器2 2 5硒整流管7 5 8 5人造云母 1 3 0 铝制电解电容器6 0 8 5电子管1 5 0 2 0 0聚四氟乙烯2 5 0 温度对元器件产生如下几方面的影响： 1 温度升高将导致电阻器允许耗散功率下降，如果温度过高可能会使电阻器 的寿命降低。所以，一般电阻器的使用环境温度都有限制，如r t x 小型碳 膜电阻器只有在4 0 环境温度能在额定功率下工作。若超过这个温度就要 降低功率使用。另外温度过高会使热噪声增大，温度变化会使阻值变化。 2 温度对电容器、电感元件和变压器的影响主要是减低寿命。 3 温度过高会使半导体器件的电性能变坏。如工作点漂移、增益不稳定、失 真等，严重时会引起热击穿。因此，半导体器件通常的工作温度不能太高。 如：锗管不得超过7 0 1 0 0 ；硅管不得超过1 5 0 。 4 温度对电子装置内部的绝缘材料也有较大的影响，当超过其极限温度时， 绝缘材料老化、变质，甚至损坏。 实践表明，只要有限地控制温升，就可以提高元器件的使用功率，延长它的寿 命，并保证电装置稳定、可靠地工作。尤其是现在的电装置向小型化及大功率发展， 其内部元器件排列紧凑，组装密度大，散热较困难时，温升更显得突出。为了确保 电装置可靠性好、性能稳定，寿命长，在设计电装置时，采取散热措旌已成为一项 重要的任务，其中安装散热片是其中有效的措施之一。有许多文献报道了如何提高 散热片的散热效果【| 】【”，但是对于散热片可能产生的电磁干扰的报道并不很多。这也 说明人们并不很关心这样一个以前经常在低频大功率下工作的散热片产生的电磁干 北方交通大学博 论文第一章绪论 扰。但随着频率升至吉赫频段，散热片造成的电磁干扰现象越来越明显，使人们不 得不开始着手对散热片的电磁干扰阀题进行研究本文作者正是认识到高频端( 吉 赫频段) 散热片可能引起的特定的电磁干扰问题，开始对散热片的电磁辐射特性的 相关研究。 散热片主要通过空气对流来达到散热的目的。一般情况下，散热片是金属的， 与主要能量源相隔很近，当散热片的尺寸与能量源的频率可比拟时，其会增加电力 电子装置的总的射频电磁辐射，而且散热片几何形状复杂。具有多频带的射频辐射 特性并安装在设备外部，因而。散热片很可能在一个或多个开关频率的谐波上起 有效天线的作用，这些增加的电磁辐射可能会对周围的电子设备造成干扰引起误动 作。而且电力电子器件与散热片间的耦合电容，是电力电子装置产生共模辐射的主 要原因之一。因此，必须对散热片特性进行研究，从而定性、定量地确定散热片对 电力电子系统的辐射特性影响，并理解其辐射的机制设计实用的散热片减小整体 辐射，进而给出减小散热片电磁特性影响的措施，确保整个装置e m c 性能达标。 1 - 1 3 散热片的常用类型k l l 7 i ( 1 ) “型材”( e x t r u d e d ) 散热片 “型材”散热片是最常用的散热片，主要材料为铝，尺寸较大。需要用模具挤 爪成各种特殊形状的散热片，因此价格比较高，而且对于形状特别复杂的散热片生 产上有一定的困难。如图l1 是一种典型的“型材”散热片。 图1 1“型材”散热片 f i g 1 1 e x t r u d e dh e a t s i n k ( 2 ) “焊接式”( b o n d e d ) 散热片 这种散热片是许多鳍( f i n s ) 焊接在一块铝板的表面，也需要模具生产，价格 也较高，但是致冷效果好。而且根据鳍的类型的不同( 单板、折叠板) 、鳍的密度和 高度的不同，可以构造很多组合的散热片，这样可以增加选择散热片的灵活性。如 图1 2 是一种典型的“焊接式”的散热片。 北方交通大学博 j 论文第一章绪论 图1 2“焊接式”散热片 f i g 1 2 b o n d e dh e a t s i n k ( 3 ) 冷板散热片 这种类型的散热片的结构复杂，但是散热效果良好。其由“水泵”、“散热片” 和致冷风扇构成。而且随着今天电源设备体积越来越小，容量越来越高，这种散热 片越来越普遍。包括水冷散热片和油冷散热片，水冷散热片一般适用于电流容量在 5 0 0 a 以上的器件，由于水的绝缘性较差，而且会在高压下出现电腐蚀和漏电现象， 对水质的要求很高。油冷散热片的散热效率低于水冷散热片，其冷却介质大都采用 变压器油。 散热片类型的复杂以及新型散热片的不断涌现，将带来散热片电磁辐射研究的 困难，因此有必要在设计，安装散热片之前，对其电磁特性进行预测，设计电磁辐 射最小且散热良好的散热片这样可以减小产品的生产资金和投入市场的周期。因 此，进行散热片电磁特性影响的预测很重要。 1 2 散热片电磁兼容性的相关研究成果 九十年代以来，很多学者对散热片的电磁兼容问题进行了深入的研究。可分为 两大类问题的研究。第一类问题是从散热片的电磁辐射特性的角度出发，认为散热 片的安装造成其与参考平面之间类似谐振腔的性质，产生空腔谐振，或者认为散热 片的电磁辐射特性与单极天线的特性( d a s ) 类似。鉴于散热片的存在会导致周围空 间电磁场的增加，不少学者开始研究吉赫频段减小散热片电磁辐射影响的措施分析， 包括接地方案、屏蔽、以及改变激励源的位置等措施。常用的数值方法是时域有限 差分法( f d t d 法) 、矩量法( m o m ) 和有限元法( f e m ) 。第二类问题主要研究散 热片对电子器件的噪声敏感度的影响。这方面的工作主要是由日本的几个学者完成 的，主要考虑到噪声源和散热片之间以及散热片与集成电路( i c ) 片之间的电容耦 合，建立了散热片的电容耦合模型，采用f e m 计算。下面将详细介绍这两方面的研 北方交通大学博士论史第一章绪论 究成果。 1 2 1 散热片电磁辐射特性的研究 9 0 年代初美国m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ( m i d 的“博士f a l l 9 1 等人运 用f d t d 法分析了超大规模集成电路( v l s i ) 上的散热片的电磁辐射特性。他们将 散热片模型简化为一长方形良导电板，放在有艰尺寸的电介质( 芯片) 上，而将支 持芯片的印制电路扳等效为无限大地平面上的电介质( 参考平面) ，如图1 3 所示。 模拟有源芯片的电磁激励源包括垂直、水平方向的电偶极子和磁偶极子，位置放在 模拟印制电路板的介质层内。这样一种简化的散热片和激励源模型有利于从基本物 理概念理解散热片的辐射机理，消除了其它散射因素的影响。但是从实际的观点看， 该模型的缺点是：设计人员很难由此得出实际散热片的辐射电平，因此，激励源的 选择应该考虑实际模型的特性，从而满足实际需要。 俯 视 图 剖 面 圈 黼 善善蠹 w k 一，。 l j j ， p c b 图1 3 简化的散热片模型( l i ) f i g 1 ，3s i m p l e m o d e lo f h e a t s i n k ( l 1 ) 偶极子激励源中，只有水平磁偶极子( h m d ) 和垂直电偶极子( v e d ) 源激励 下散热片的电磁辐射有增大的趋势，垂直磁偶极子( v m d ) 和水平电偶极子( h e d ) 源产生的电场在1 1 0 g h z 频段范围截止。因此“给出了h m d 和v e d 激励下的散 热片的辐射特性。被研究的散热片a ，边长w 。= 4 8 c m ，厚t h = 2 5 m m ，散热片离地高 度h = 7 5 m m ，不考虑芯片，偶极子激励源设置在离散热片中心最近的三维网格中。 如图1 4 为存在散热片a 和没有散热片两种情况( 都包括有地平面) ，h m d 激 励l 6 5 g h z 频段归一化辐射功率图。y 轴归一化辐射功率指的是相对于同一偶极 子在无界空间( 无散热片和地平面) 中的辐射功率的比值，3 d b 电平近似于存在地 北方交通丈学博士论史第一章绪论 究成果。 1 2 1 散热片电磁辐射特性的研究 9 0 年代初美田触h u s e t t si r m t i t u t eo ft e c h n o l o g yo m t ) 的“博士p j 嗍等人运 用f d t d 法分析了超大规模集成电路( v l s i ) 上的散热片的电磁辐射特性。他们将 散热片模型简化为一长方形良导电板，放在有限尺寸的电介质( 芯片) 上，而将支 持芯片的印制电路扳等效为无限大地平面上的电介质( 参考平面) ，如图1 3 所示。 模拟有源芯片的电磁激励源包括垂直、水平方向的电偶极子和磁偶极孑，位置放在 模拟印制电路板的介质层内。这样一种简化的敬热片和激励源模型有利于从基本物 理概念理解教热片的辐射机理，消除了其它散射因素的影响。但是从实际的观点看， 该模型的缺点是：设计人员很难由此得出实际散热片的辐射电平，因此，激励源的 选择应该考虑实际模型的特性，从而满足实际需要。 俯 视 图 剖 面 翻 。，。- 觥 ；! 善蠹 w k 一- 上j j 一一 p c b 图1 3 简化的散热片模型( l i ) f i g 】3s i m p l em o d e lo f h e a t s i n k ( l i ) 偶极子激励源中，只有水平磁偶极子( h m d ) 和垂直电偶极子( v e d ) 源激励 下散热片的电磁辐射有增大的趋势，垂直磁偶极子( v m d ) 和水平电偶极子( h e d ) 源产生的电场在1 t 1 0 g h z 频段范围截止。因此l i 给出了h m d 和v e d 激励下的散 热片的辐射特性。被研究的散热片a ，边长w h = 4 8 c m ，厚t i _ 2 5 m m ，散热片离地高 度h - - 7 5 m m ，不考虑芯片，偶极子激励源设置在离散热片中心最近的三维网格中。 如图1 4 为存在散热片a 和没有散热片两种情况( 都包括有地平面) ，h m d 激 励1 6 5 g h z 频段归一化辐射功率图。y 轴归一化辐射功率指的是相对于同一偶极 子在无界空间( 无散热片和地平面) 中的辐射功率的比值，3 d b 电平近似于存在地 北方交通人学博1 ：论文第一章绪论 平面却没有散热片情况的归一化偶极子辐射功率。显然，有散热片a 情况下，2 3 g h z 和5 5 g h z 存在谐振且第一谐振点( 2 3 g h z ) 表明散热片较大地增加了电磁辐射， 辐射能量增加了i ( x l b 而增加多大的值还受到芯片的物理模型、地平面和系统环境 的影响。 图1 4h m d 激励的归一化辐射功率 f i g 1 4 n o r m a l i z e dr a d i a t e dp o w e rw i t hh m ds o u r c e 式( 1 - i ) 为一种简单、但不很精确的确定谐振频率的近似公式。该近似公式认 为边界是良开路边界。 “= 三2 v 7 f t 旦w ：t 旦w , 1 2 + f j t _ ：2 ( 1 ) 式中m ，r i ，k - - x ，y ，z 轴方向与半波场变化有关的模数； c 一谐振腔介质内的光速： 敝，睨，彬一有效长度，由于边界点的反射效应，数值大于实际尺寸。 根据式( 1 - 1 ) 可以近似计算谐振频率。需要特别注意的是：式( 1 - 1 ) 是最简 化的公式，如果考虑物体拐角的各种效应，则不能采用该公式。 表1 2 列出了由上述近似公式计算的散热片几个谐振点。散热片的有效尺寸暇， 既都约等于5 o c m ，由于谐振腔的高度对于所有感兴趣的频率是电小的，所以不考 虑在垂直方向的变化，即取最低次谐振模，因此将式( 1 - 1 ) 第三项简化为0 。同时 也列出了f d t d 法计算的谐振点。可以看出近似公式可以大约估计最大辐射点的频 率。 l i 等人还计算了另一片散热片b 的电磁辐射特性。它的尺寸稍大于散热片a ， 边长= 5 8 c m ，+ 厚i h = 1 o c m ，散热片离地高度h = 1 3 c m ，模型中也无电介质存在， 同样，偶极子激励源设置在离散热片中心最近的三维网格中。 北方交通入学博卜论史第一章绪论 表1 2 近似公式和f d t d 法计算的教热片a 谐振点比较 t a b l e1 2c o m p a r i s o no f r e s o n a n c 2w i t ha p p r o x i m a t i o ne q u a t i o na n dc o r m s p o n d i n gf d t d 模数请鼙顿率( g h z ) f m , n f d t d 0l3 0 2 3 ( 中心h m d ) 026 o 4 9 ( 中心v e d ) il3 3 4 ( 镰 中心的激励源) l26 7 5 5 中心h m d ) 228 5 7 0 【中心v e d ) 图1 5 为1 3 g h z 频段内有、无数热片b 两种情况，地平面上h m d 激励的归 一化总辐射功率。第一个谐振点在1 7 5 g h z ，比无散热片时辐射高出近1 3 d b 。与散 热片a 相比，b 的谐振频率更低，且在频域上有更宽的响应，这与b 比a 有更大的 尺寸和更高的地面放置有关。图1 5 画出了同一散热片，h i v i d 激励源偏离中心的得 到的频响。显然，在1 7 5 g h z 频点的电平较小，第二谐振点在2 7 g h z 处，而中心 h m d 激励下在该频率却没有谐振，这也说明散热片辐射特性和激励源的位置有关。 因此，可以考虑合理地放置散热片，使激励源处在散热片辐射较小的位置。 图1 5h m d 激励f 散热片b 的归一化辐射功率 f i g i 5 n o r m a l i z e dr a d i a t e dp o w e ro f h e a t s i n kbw i t hh m ds o u r c e 图1 6 为散热片b 的不同离地高度总辐射功率的变化，三个高度分别为0 6 c m ， o 9 c m ，和1 3 c m 。高度越高，谐振频率越低。与有效尺寸大，相应的谐振频率低一 致。 对于比较实际的情