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摘要：随着信息化时代的到来，现代信息数据中心的建设对电源的要求不断提高，高可靠性、高效率的电源技术成为了备受瞩目的关键技术。作为电源系统的核心器件—电力电子器件及装置，必须向小型化和轻量化发展。而电源系统的特殊工作环境和对体积、重量及寿命的更高要求使得散热问题更加严峻，这都使得电力电子器件的热结构设计问题俞显突出。因此，电子设备散热结构的优化研究成为关键技术中的核心技术。
关键词：电力电子器件；装置；散热；结构优化
一、引言
电力电子设备应用范围的扩大、功能的多样化以及高温、潮湿和灰尘等严酷的工作环境，给电力电子设备的可靠性设计和下一代电子系统的热管理提出了许多新的挑战。当处于高温环境时，电子设备的散热问题成为其关键技术。电源系统中的电力电子器件热耗作为主要内热源，其复杂的工作模式也要求必须对其合理热设计才可保证电子产品长寿命、高可靠及稳定运行。同时机柜对装载部件的重量、体积和寿命也有更严格的要求，因此电力电子器件和电子设备整体的热设计是影响电子设备整机可靠性的一个重要因素。电力电子器件特征尺寸不断减小、频率不断提高和电子设备集成度的提高，必然导致电力电子器件及装置体积功率密度或面积功率密度越来越大，元器件的热失效和热退化现象更为突出。如果电力电子器件内部的热量无法通过有效热路径散发出去，器件结温就会急剧（持续）升高，当器件实际工作结温超出了其最大允许结温时，器件性能就会降低甚至失效损坏。电力电子器件性能的降低或损坏将会导致电路中参数变动或各种各样干扰，如电源纹波变大、电路自激振荡、电压变动、热电势变化、集成电路的传输延迟时间变化等等。
二、电力电子设备强迫风冷散热
自然冷却、强迫风冷、液体冷却和热管冷却是电力电子设备及器件目前最常用的主要散热方式，蒸发冷却适用于热量更大的系统。一般情况下强迫风冷的散热效果远好于自然风冷，是自然风冷的5-10倍；虽然强迫风冷的散热效果不如液体冷却好，但是其复杂程度远低于液体冷却、体积和重量相对较小、成本较低，且由于液体冷却需要考虑冷却介质的更换、泄露使得液体冷却的可靠性远低于强迫风冷，后期维修较困难。强迫风冷散热方式由于成本低、可靠性高、结构简单等优点在大功率电力电子器件散热中广泛应用和快速发展，当电力电子装置的功率为数百瓦到数百千瓦时一般选用散热方式为强迫风冷。
系统较简单、成本较低的主要是自然散热和强迫风冷散热两种冷却方式。其中强迫风冷散热的时间常数远大于自然散热的时间常数，即在电子设备通电后散热器可以更快地达到热稳定，也可以在设备关断电源后更快地冷却至接近环境温度，且强迫风冷散热的散热效率远大于自冷式散热。因此从散热效率和时间常数两个因素考虑，强迫风冷散热也是电子设备冷却中较常应用的散热方式。
三、强迫风冷散热器热设计主要原则
（1）散热器上下基板厚度、长度、宽度增大散热器的热阻都会减小，应尽量选用其上限值，但与此同时散热器的体积和重量也随之增大，因此为满足设备安装空间，不与其小型化要求相违背，也不可过大。散热器上下基板厚度设计的关键是散热器上基板能够符合安装电力电子器件的需求、下基板符合散热器在设备内部的安装需求即可。散热器长度、宽度的选择在满足其散热要求前提下同时都要综合考虑风扇选型和设备小型化、轻量化的要求，于是本文散热器的优化问题是在散热系统体积或质量一定的条件下尽量减小散热器热阻。
（2）散热器的热阻随散热器总高度和肋片厚度的增大呈现先减小后增大的相同趋势，因此一味增大散热器总高度和肋片厚度不仅使得散热器更大更重，且使散热系统的散热性能更差。
（3）散热器宽度一定条件下肋片间距、通道数目和肋片厚度相互约束，相互影响，如肋片间距减小时肋片数目增多，散热面积增大，使得散热器热阻减小，而肋片数目增多却同时使得风扇风量流过的散热器端面面积减小，于是冷却空气流过散热器的压降就随之增大。压降增大使得风扇工作点的风量又会减小，散热性能降低，因此在散热系统设计时要依据散热器各个肋片参数对散热性能的不同影响程度和风扇选型确定最佳肋片间距、肋片数目和肋片厚度。
（4）由强迫风冷散热中风速对散热器热阻的影响可知，当风速大于某一值后热阻的减小非常缓慢，且散热器压降随风速增大而显著增大，所以风速的持续增大对散热性能并无提高。而散热器导热系数的选择则主要考虑材料费用和加工费用允许的条件下，应尽量选择导热系数较高的材料。常见金属材料中，铝生产工艺简单、有良好的铸造加工性能和成本较低，一般是优先考虑的材料，但在散热要求特别高的场合选用铜，主要依据散热器的允许温升、重量和成本等指标要求而确定。
四、散热器的多目标热-结构优化
根据电子设备内功耗、温升、安装空间、散热器基板表面安装电力电子器件的要求等，首先可确定散热器的材料、长度、宽度、上下基板厚度和总风量需求，然后根据散热器其余结构参数和冷却条件对散热器热阻、压降影响关系的分析结果确定散热器的肋片厚度、肋片间距及肋片数目。
（1）若保持散热器肋片数目不变，当增大散热器肋片厚度时热阻减小，但随之肋片间距也会减小，而肋片间距的减小又使得散热器压降增大；
（2）若保持肋片间距不变，则当肋片厚度增大时热阻随之减小，但与此同时肋片数目随之减少，而肋片数目的减小使得散热器的总散热面积减小带来散热器热阻的增大；
（3）若保持散热器肋片厚度不变条件下，增多肋片数目可减小散热器热阻和压降，但肋片数目增多的同时使得肋片间距减小，又导致散热器压降增大，降低散热器的散热能力。所以散热器的肋片间距、肋片厚度、肋片数目对散热器热阻和压降的影响是相互制约和影响的。
优化过程以散热器的加工和安装尺寸为约束条件，即保持散热器体积不变条件下以散热器的结构参数和冷却条件等为设计变量，应用Matlab对散热器的热阻和压降进行优化设计。
参考文献：
[1]关大众.电力电子模块中的热分析[D].上海:中国科学院研究生院，2011:10-20.
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