热设计中的不确定因素

,电子设备热设计的不确定因素,2020年6月7日,热设计不确定因素的重要性,Page3,热损耗,热损耗随时间变化,Page4,工程中，热损耗一般作平均处理。但是，以IGBT为例，对于负载电流频率较低而自身热容又较小时，实际温升波动会较大。,热损耗,热损耗随温度变化,Page5,对于金属导电的焦耳热来说，热量与电阻率成正比，若金属的电阻率温度系数为0.004，则温度升高100K时，发热量将增大40%。一般铁芯热功耗首先会随着温度下降，之后再逐渐上升。,某铁芯材料的热损耗随着温度的变化,热损耗,多个热源,Page6,现在多芯片封装的器件越来越多得到应用，若IGBT模块封装中包含了多个IGBT芯片和二极管芯片，一方面这些芯片不是同时工作，另外方面这些芯片的发热量有所不同。这都给精确计算热源提出了新的挑战。,热阻,接触热阻,Page7,接触热阻产生的原因是粗糙度的绝对存在，而这些微小的缝隙中的空气是不良导体，其导热系数可以相差2-3个数量级；接触热阻的影响因素主要是接触面的粗糙度、结合的压紧力、缝隙的含气量；由于接触热阻的模型及其复杂，接触面的微观形态无法精细建模，因此没有精确计算和预测的手段，只能通过经验值和实际测量来获取。,热阻,沸腾换热,Page8,竖直上升,竖直下降,水平流动,沸腾换热的形态和性能影响因素非常多，包括容器形状、摆放角度、流速、压力、吸热功率、气液比例、流体性质等。以下展现了几种直管中的典型沸腾流型，每种摆放角度下不同的气液比例的情况，可见其流动非常复杂。,热阻,沸腾换热,Page9,U型管在换热器中是常用结构，由于重力的影响，U型口朝上和朝下的形态差异较大，因此在竖直放置的换热器中两相流不够稳定，其换热能力的计算与实际值也会有非常大的差别。下图展示的是不同气液比例下的U型开口朝上和朝下的各种形态。,热阻,热界面材料受压力的影响,Page10,下图显示了两款厚度为0.508mm，导热系数为3W/(m*K)的导热片在不同压力下的导热性能。其中，蓝色曲线所代表的材料硬度更低，受压后可以更容易将空气排出，相应的热阻更低。,热阻,导热硅脂的老化,Page11,由于导热硅脂是硅油和导热填料混合而成的高导热系数的硅脂，在长时间高温作用下，其中的基质会挥发，从而影响导其粘度，填充性能，继而影响导热性，使得热阻上升。下图表示在150条件下的不同基质的重量减少规律。,热阻,导热硅脂的涂抹方式,Page12,实际应用中，导热硅脂的热阻与涂抹方式有很大关系，需要根据涂抹面积、热源与散热器的紧固方式、硅脂粘度等因素来考虑。好的丝网结构可以增加硅脂的实际覆盖面积，减少硅脂用量（厚度）。,散热器,散热器的组装工艺,Page13,切削工艺,挤压工艺,粘接工艺,翅片与基板的连接有多种不同工艺，从传热的角度来说，一方面，各种工艺的接触热阻会有所区别，另一方面，由于连接的不确定性，各个翅片的热阻一致性会有一定差别，导致基板的不均温问题。下图是三种不同工艺的示意。,散热器,散热器的材质,Page14,对于风冷散热器来说，热阻集中在对流换热，材质自身导热所占比重较小；但水冷散热器来说，材料自身导热所占比重较大。常用散热器的材料为铝或铜合金，根据实际成分特性可以相差较大。如铝合金6061-T4和6061-T6导热系数分别为154W/(mK)和167W/(mK)，相差8%。在设计散热器时，材质的选择对导热系数的影响是很大的，因此对最终热阻的影响也是巨大的。,散热器,表面发射率,Page15,对于自然散热的情况，表面热辐射的作用就比较明显。在进行产品热设计时，一般不会对实际表面发射率进行测量，而是采用了经验数据，这就造成了一定的不确定性。材质的不同，以及相同材质的表面处理不同，都会导致发射率的变化，比如铝表面裸露的发射率约0.1，而表面氧化处理后可达0.8-0.95。,散热器,热管的安装角度,Page16,大量实验表明，倾斜角度对不同类型的热管影响差别很大，如下图所示。沟槽式影响最大，安装倾斜角度-30甚至无法形成循环。因此在同样的型号，在不同的产品上，甚至同一个产品的不同实际应用环境（如坡度），都会有不同的性能表现。,散热器,热管的工艺,Page17,热管进行一些成型加工（如折弯、打扁）后，其传热能力有所减弱。对于不同直径的热管，有建议的折弯半径，如果实际小于建议值，传热能力会大幅度下降。热管和基板及翅片之间的良好接触是发挥热管散热器能力的关键，目前有胶水粘接、焊接、机械压接几种。如果工艺参数控制不稳定，容易产生巨大的个体差异，即便是把控较好时，不同批次或者同一批次中都会有一定差异。,环境条件,灰尘的影响,Page18,对于热设计而言，滤网和栅格是一个重要阻力来源，而其阻力特性会因为附着的灰尘或义务而增加。在长期处于高粉尘环境中，滤网需要定期检查和更换，而设计阶段是很难精确估计粉尘额实际影响的。下图是灰尘量与滤网阻力以及灰尘阻挡率的变化。,环境条件,海拔的影响,Page19,海拔高度对应大气压力和空气密度,某型风机平原与4500m高原P-Q曲线,高海拔会带来更低的空气压力和空气密度，空气密度会影响电子设备的绝缘、风机质量流量、对流换热系数等；对于自然对流来说，表面传热系数一般正比于空气压力的平方根；高海拔的产品一般会需要一定的降容，以满足其散热需求。,环境条件,空气湿度的影响,Page20,空气的湿度会影响空气密度、比热、粘度和导热系数等直接与对流相关的参数，因此会对散热造成影响。凝露的发生，对于散热条件也会有相当大的影响。由于凝露会放热，在有柜内冷却的系统中，会消耗冷却系统的冷量。,环境条件,温度的影响,Page21,环境温度会影响电子设备表面的对流换热系数和辐射换热量，因此温升并非是一个定值，而是会随着环温变化的。假设有一块1001601.6的PCB板，表面发射率为0.9，功耗10W。有如下两个图的变化规律。可见，环温的升高，PCB的辐射散热能力会增强，而随之带来的是，温升会随着环温的升高而降低。若是强迫对流，环温对换热系数的影响非常小。,风机,出风特性,Page22,对于轴流风机而言，出风具有我们平时说的旋转特性。进出口压差越大，旋转出风效应越明显；元器件若处于轴流风机的出口处，对风机的旋转效应会有很大的影响；对于离心风机而言，出风同样具有一定的角度，因此有远见处于出风口时，需要确定其是否在气流的路径上；另外，两个或更多的风机较为接近时，这个特性会严重影响到其工作点和效率，因此在应用时需要着重考虑。,风机,电压的影响,Page23,风机的输入电压不同，其转速会发生变化，因此特性曲线也会发生变化；在风机的应用中，供电电压应严格控制在其样本的允许范围内，如有条件最好能够实时监控其电压值；下图是某风机在不同电压下的特性曲线。,风机,串并联特性,Page24,在理论计算中，我们往往将风机串联认为是风量不变，压头累加的，并联则是压头不变，风量累加；实际应用中，两个相同的风机串联起来，其压头可能只有单个风机的1.6倍左右；实际应用中，两个相同的风机并联起来，其流量可能只有单个风机的1.6倍左右；这点是由于串并联的风机会互相影响流场，从而降低气动效率，使得总体风量或风压一定程度的下降。,导线,对流动的阻碍,Page25,内部空间狭小，高热流密度的电子设备热设计思路是在内部设计几条空气流动通道。将高发热量和热敏感元件放在这个通道的两侧。电子设备内部的导线在布置时应尽量不要占用这些主要风道，也不要紧贴散热器或者元器件散热表面。,导线的散热能力,导线是一个发热源也是个散热途径。比如在小型断路器中有超过50%的热量都是从导线散走的，同样的，在变流器中，铜排是可以起到一定均温的作用。,导线,PCB导热参数,Page26,由于PCB上的铜层及开孔非常复杂，而铜层和绝缘层的导热系数相差两个数量级，因此各个局部的导热能力差别很大。目前PCB仿真建模的通用方式是采用等效导热系数，将其等效成各向异性的板子。参考以下公式。,如果确有必要进行精细建模和仿真，则可以使用更专业的工具，将PCB的铜层和过孔的图样直接导入软件进行建模，但会占用更多计算资源。,导线,PCB局部发热,Page27,PCB板上的元件是通过PCB的铜层来供电，电流经过铜层会发热，由于局部电流密度各有不同，铜层的发热是不均匀的，同时也影响到了PCB板上的其他元件。因此，在对热源进行计算时，这部分热量是非常重要的，不可忽略的。下图是一块PCB板的铜层热流密度及其表面温度分布。,导线,PCB与外壳的接触,Page28,对于单板上大多数自然散热的产品来说，元件（无散热器）80%以上的发热量会通过PCB散走。因此，作为关键散热元件，我们不仅要考虑PCB的导热性能，还要考虑PCB与外壳之间的导热路径，下图展示了几种不同的紧固方式及其热阻值。为了增强接触点的导热，有时我们会涂抹导热硅脂以降低接触热阻。,仿真,模型误差,Page29,模型结构和材质特性上的误差，细节与数据量及计算量相关，为了在精度和工作量之间找一个平衡，必须容许一定程度的建模误差；热源模型与真实情况之间的误差，是由于其获取渠道是供应商的数据或者经验数据，而实测数据很难获取，甚至依赖精细化仿真的数据都很难获取；,仿真,网格独立性误差,Page30,网格独立性主要是为了消除网格对于仿真的影响。主要思想是在某一数量网格基础上，再进一步加密网格，得到的仿真结果与之前没有变化或变化极小，此时可认为仿真结果与网格无关。这一点尤其体现在接近近壁面的处理上，下图展示了边界层网格数与计算结果的关系曲线，可以认为，14个网格时，已经达到了网格独立解。,热测试,探头固有误差,Page31,热点偶和热电阻是最常用的温度测量方式，其原理是将温度量转变为电学量来测量。根据线材不同，热电偶可以分为铜-铜镍型（T型）、镍铬-镍硅型（K型）等，根据精度不同，热电阻可分为PT100和PT1000等型号。误差是这些探头的固有特性，是无法消除的，根据实际需求选择合适的测量范围，可以一定程度降低其误差。下图列举了一些典型热电偶的特性。,热测试,粘连方式带来的误差,Page32,温度探头的测温原理是通过导热，与被测物体达到热平衡，即探头温度等于被测点温度。因此导热能力将影响到测量精度和响应速度，为了测量，探头是需要安装在被测物体上的，一般是通过导热胶粘接的方式，探头也要尽可能接近被测点，这样可以减少探头自身的散热所带来的误差，有时候为了更精确的测量，我们会采取一定的保温手段，来降低热流所带来的温度梯度。,热测试,信号采集的误差,Page33,温度测量得到的是模拟信号，容易收到干扰，尤其与供电电缆接近时如此，或者是恶劣的电磁环境（比如电抗器测温），更需要着重考虑电磁兼容设计。如有条件，转化为数字信号进行传输会更好，而模数转换的过程又会带来一定的误差。下图展示了一种光纤测温仪。,热测试,热成像仪的误差,Page34,红外成像是通过热源红外辐射能量进行温度测量，而被测区域可能有多种材料，以至于表面发射率有差别。红外成像仪无法单独设置每个区域的发射率，从而会引入一定误差。下图展示表面发射率的误差与实际温度误差的关系。因此在实际使用中，必须保证被测物体的表面发射率一致或者接近。,热测试,风速测量误差,Page35,下面展示了两种风速仪，叶轮风速仪和毕托管风速仪。其中叶轮的需要一定通风的截面，因此在风速不均的流场中，测得的风速实际上是平均后的结果；而毕托管的测量原理是通过全压与