热设计中的不确定因素

1、www.crrcgc.cc 电子设备热设计的不确定因素 2021年6月25日 www.crrcgc.cc 热损耗 热阻 散热器 环境条件 风机 导线 仿真 测试 热设计不确定因素的重要性 Page 3 不确 定性 设计 决策 改进 依据 结果 预测 热损耗 l热损耗随时间变化 Page 4 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 l热损耗随温度变化 Page 5 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

2、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 l多个热源 Page 6 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 l接触热阻 Page 7 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

3、手段，只能通过经验值和实际 测量来获取。 热阻 l沸腾换热 Page 8 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 l沸腾换热 Page 9 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 l热界面材料受压力的影响 P

4、age 10 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 l导热硅脂的老化 Page 11 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 l导热硅脂的涂抹方式 Page 12 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

5、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 l散热器的组装工艺 Page 13 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 l散热器的材质 Page 14 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606

6、1-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 l表面发射率 Page 15 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 l热管的安装角度 Page 16 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

7、。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 l热管的工艺 Page 17 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 l灰尘的影响 Page 18 对于热设

8、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 l海拔的影响 Page 19 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 l空气湿度的影响 Page 20 空

9、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 l温度的影响 Page 21 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 l出风特性

10、 Page 22 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 l电压的影响 Page 23 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

11、曲线。 风机 l串并联特性 Page 24 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 l对流动的阻碍 Page 25 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，

12、也不要紧贴散热器或者元器件散热表面。 l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 lPCB导热参数 Page 26 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 lPCB局部发热 Pa

13、ge 27 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 lPCB与外壳的接触 Page 28 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

14、低接触热阻。 仿真 l模型误差 Page 29 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 l网格独立性误差 Page 30 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

15、以认为，14个网格时，已经 达到了网格独立解。 热测试 l探头固有误差 Page 31 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 l粘连方式带来的误差 Page 32 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，

16、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 l信号采集的误差 Page 33 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 l热成像仪的误差 Page 34 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 l风速测量误差 Page 35 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静压 相减