散熱設計0-熱設計基礎介紹

0.前言介紹

之所以開這個散熱設計學習小書系列，是對自己前幾年做過的功率產品熱設計的一個簡單總結，結合一款變頻器散熱設計進行展開，考慮到小書系列，點到為止，更多的技術細節並未詳細展開，如果有興趣的話，歡迎討論。

熱設計的書，市面上有的過於簡單不夠系統，有的又各種公式推導，這本小書從一個實際案例出發，力求簡單明了，能用圖和文字的地方，就盡量避免公式。

主要分下面幾個章節：

• 散熱設計0-熱設計基礎介紹
• 散熱設計1-淺談風路設計基礎
• 散熱設計2-風路風阻測試與分析
• 散熱設計3-熱平衡優化設計
• 散熱設計4-動態溫升估算與全局熱設計
• ch5-海拔對風道系統影響分析由於知乎不支持表格，所以ch5這節，只能到博客查看。

1.普及熱盲

散熱設計是功率電力電子產品設計中重要的一部分，因為涉及到壽命，維護都是錢呀。

散熱設計有幾條路子：CFD模擬，風洞測試，山寨分析

• 山寨分析

一般是小廠，自己玩，大多數都是穩態測試，做不同工作點的靜態結果，評估壽命。

• 風洞測試

像AVC之類的散熱器或者風扇廠家，都會有風洞實驗室，把散熱器和風扇放到風洞一起進行測試，可以測試散熱器風阻曲線，風扇的風阻曲線，還可以測試散熱器散熱動態曲線。

• CFD模擬

這個真沒玩過，感覺要牛逼的人才有資格，而且一定要和實測結果對比矯正，不然個人覺得意義不大。很多公司用CFD做散熱模擬分析和設計，感覺好高大上，但是個人並不是很相信這套高大上的東西，因為之前工作，像AVC或者Merson這些牛逼公司，做出來的散熱器模擬結果，與真實測試下來的模擬結果相差不小，所以CFD僅做一個定性參考比較，不可以做定量決策，要對比散熱器產品，必須實測。

風冷散熱設計分兩部分

• 風路設計
• 熱路設計

風路設計決定整個風路的風壓與流量的工作點，而流量工作點最終決定散熱器的平台溫度。

熱路設計決定功率晶元最高核心溫度和溫度波動大小。

兩者混合優化，才會得到最高性價比的散熱系統設計。

2.風路設計基礎

不要一上來覺得很難，其實風路設計和電路設計有很多的相似之處，你可以看下面這張風道的等效電路圖：

風扇相當於電壓源，風道相當於電阻，標準大氣壓相當於大地，風道流量相當於電流，特別要注意的地方是，這裡所有元件都是非線性元件，而且我們只考慮靜態阻性，不考慮動態特性，也就沒有電容電感之類的等效器件。

風路設計，最終的目的就是選擇風扇和風道風阻，得到一個合適的風壓與風道流量工作點，因為流量決定了散熱器的最終熱阻大小，是熱路設計中最重要的環節。

關於風扇選型，風道設計，還有海拔影響，後面有有更詳細的介紹。

3.熱路設計基礎

和電路設計也有很多相似的地方，你可以看一下下面這張圖：

在熱路設計中，發熱功率P對應電流源，熱阻R對應電阻，溫升ΔT對應電壓，熱容對應電容，這裡與風路設計不同的地方，我們的考慮動態熱性，所以有電阻與電容的等效，同時所有元件都是等效為線性元件。

如果你還雲里霧裡，那看看散熱器結構圖3，一般發熱都是功率器件(Diode 或 IGBT)，然後通過導熱基板(Base Plate是 功率器件的一部分，通過導熱硅脂緊貼散熱器)，導熱硅脂主要是用於減少接觸熱阻，最下面就是散熱器Heatsink。

散熱的動態等效模型中有兩種，一種是是圖2中的Cauer等效電路，另一種是是圖4中的Foster等效電路。

Cauer等效迴路是基於實際物理特性實現對IGBT溫度的瞬態效應的描述，具備真實的物理意義。而一般的IGBT數據手冊中採用基於Foster等效迴路進行描述，這種等效迴路是採用指數曲線數值擬合的方式實現溫升阻抗Zth(j-c)的描述，並不具有物理含義。

ABB或與英飛凌的技術文檔里中IGBT Zth(j-c)的測試方法，均是通過飽和電壓Vce-sat進行IGBT核心溫度測量，具體測試流程如圖5所示，先用恆功率對IGBT加熱到核心溫度Tj保持恆定，然後關斷電流，在溫度下降與上升過程中記錄IGBT核心溫度Tj(t)和基板溫度Tc(t)。

Zth(j-c)的計算公式為：

對Zth(j-c)進行指數曲線擬合，得到這樣的表達，

在功率器件的數據手冊中，只要描述出熱阻和其對應的時間常數，即可擬合出對應的Zth(j-c)，描述如圖6所示，用了四組參數進行擬合。

說了老半天，Zth的動態特性有什麼意義呢？不要急，我們慢慢來，在變頻器中基波頻率是變化的，熱阻網路本身又具備一個等效時間常數，所以不同頻率下給功率器件造成的熱衝擊影響也是不一樣的，我們看圖7，對同一個熱阻網路，最左邊50Hz的熱功率，基本被濾掉，只產生很小的熱衝擊，而最右邊1Hz的熱功率全部產生成對應的熱衝擊。

對於同一個熱阻容散熱系統，其相當於一個低通濾波器，頻率高的熱功率會被濾掉大部分，頻率低的熱功率會全部通過，所以這裡涉及到熱功率信號頻率與散熱系統的帶寬概念，也就是我們前面說的Zth的。

更深入地熱路設計，會對動態熱衝擊進行詳細的估算，後面會有單獨文章進行。

4.小結

不管你喜歡，還是不喜歡，你都逃不掉電路的影子！！

附註：

• Diode：二極體
• Ceramic：烤瓷基板
• Base Plate：基板
• Themal grease：導熱硅脂
• Heatsink：熱池
• Ta：環境溫度
• Th：熱池溫度
• Tc：基板溫度
• Tj：結溫
• Rth(j-c)：晶元結到基板的熱阻，即junction 到 Base plate 的熱阻
• Zth(j-c)：晶元結到基板的阻抗，即junction 到 Base plate的阻抗
• Rth(c-h)：基板到熱池的熱阻，即Base plate 到 heatsink 的熱阻，包含導熱硅脂和Case與heatsink的接觸熱阻
• Rth(h-a)：熱池到空氣的熱阻，即heatsink到 air的熱阻
• Rth(c-a)：IGBT基板到空氣的熱阻，即Base plate到 air的熱阻

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