近些年来,随着我国电力电子设备应用范围的不断扩展以及功能发展的多样化,促使我国电力电子设备在应用发展方面迈入了全新的功能应用阶段?结合实际应用经验来看,当处于高温环境条件时,电力电子设备常常会受到自身结构因素的影响,在散热问题方面表现较为突出?目前,为进一步加强对电力电子器件及其装置的散热结构优化研究,研究人员主张立足于电力电子器件热耗情况,对其涉及到的工作模式进行统筹规划与合理研究?并采取科学合理的热设计手段,延长航天器等电子产品的应用寿命?由此不难看出,如何加强电力电子器件及其装置散热结构的优化设计,俨然成为当前行业内部亟待解决的工作问题?针对于此,研究人员应该立足于当前技术发展动态,采取科学合理的措施,加强对电力电子器件及其装置散热结构的优化设计力度,以确保电力电子器件及其装置的功能优势得以发挥出来?

1多芯片组件(MCM)热优化设计现状及问题分析

所谓的多芯片组件主要是指将多个半导体集成电路元件,以裸芯片的方式搭载于不同类型的布线板当中?并在此基础上,科学利用微焊接以及封装工艺等实现整体封装过程,确保电子部件及整机运行功能需求得以满足?结合当前多芯片组件技术的发展情况来看,经过多年的研究与发展,多芯片组件基本上已经演变成为电力电子器件组装技术的一种表现形式?结合实际应用反馈情况来看,电力电子器件通过合理应用多芯片组件技术,不仅可以提高系统整体的运行性能,同时还可以加强系统整体的运行可靠性,具有重要的应用价值?

最重要的是,多芯片组件工艺与传统单芯片封装工艺相比较而言,可在一定程度上提高电路单位体积内的集成度,利于促进电子设备高速化以及轻量化的发展?但是结合当前应用发展情况来看,随着多芯片组件单位体积内功耗问题的不断加大,芯片热失效与热退化现象逐渐明显?究其原因,主要是因为多芯片组件结构设计缺乏合理性,至系统工作时所产生的热量无法及时向周围环境散发出去,进而形成局部热点明显或者内外温度差较大的问题?

再加上工作人员对于多芯片组件多层材料的选择缺乏合理性,导致多芯片各层材料在热膨胀系数方面存在较大的差异性问题,容易对电力电子器件性能造成恶化影响?为进一步加强对多芯片组件的热管理力度,工作人员应该对多芯片组件的内部结构以及结构参数等因素问题进行统筹规划与合理设计?最好可以立足于多芯片组件的应用功能,从强迫风冷散热系统方面入手,明确强迫风冷散热系统的关键设计内容?并结合稳态热设计要求,提高电力电子器件及其装置的散热能力?

2电力电子器件及其装置的散热结构优化设计分析

2.1强迫风冷散热系统稳态热设计优化内容

目前我国多数电子设备在冷却系统的选择方面多以强迫风冷散热系统为主?一般来说,强迫风冷散热系统在组成部件方面主要以风扇与散热器为主?其中风冷过程主要是借助风扇转动作用,促使散热器肋片间存在的冷却空气逐渐向电子设备热量范围内拓展,达到散热的效果?在散热系统设计内容的方面,工作人员需要从散热风扇选型以及散热器结构设计等方面进行统筹规划与合理部署?在具体设计过程中,强迫风冷散热系统设计的关键要点主要可以放在如何准确计算风扇实际工作时间的参数点数据当中?

客观角度上来看,风扇工作点主要是与散热系统中的散热性所产生的特性曲线相关,同时也与风扇自身的特性曲线相关?因此在正式研究与设计过程中,工作人员应该从散热器机械结构影响角度对散热器特性曲线问题进行研究与分析?与此同时,在风机工作点风量确定以及散热系统压降工作结束之后,工作人员可以利用热阻等效电路方法,对当前电力电子器件实际工作的结温问题进行计算分析?根据实际计算分析反馈结果来看,器件结温以及散热器结构等往往会对强迫风冷散热设计效果产生至关重要的影响,工作人员必须予以重点把握?为进一步加强强迫风冷散热系统稳态热设计优化效果,工作人员应该对电力电子器件的损耗问题予以高度重视?一般来说,电力电子器件温升产生的热量主要是源于通电工作期间产生的功率损耗问题?当功率损耗问题过于严重时,器件结温与表面温度会急剧升高,严重时甚至会造成器件损坏问题?而通过利用稳态热设计优化方法,可以促使散热系统达到稳态热平衡状态?因此想要弄清器件的温升问题,我们应该对电力电子器件工作过程中涉及到的功率损耗问题进行研究分析?

在具体操作过程中,工作人员可以利用有限元软件进行仿真分析,并根据分析反馈结果对强迫风冷散热系统的设计方法内容进行统筹规划与合理部署?在此基础上,针对大功率电子设备强迫风冷散热器的热阻问题进行研究分析?最好可以利用热阻等效电路计算方法对强迫风冷散热系统的设计内容进行反馈分析?除此之外,在热阻计算方法的优化设计方面,建议工作人员可以根据电力电子器件及其装置的散热需求进行科学优化,以期可以为总体散热效果提供良好保障?

2.2瞬态热响应特性优化设计内容

强迫风冷散热系统稳态热设计工作虽然可以集中反映出电力电子器件整个工作过程的平均结温情况,但是在实际应用方面,只能反映出系统稳态时各点的温升,无法客观地描述出电力电子器件在实际工作中的周期性开关状态以及瞬时结温情况?为确保电力电子器件瞬态最高结温不超过安全规定范围,我们有必要构建散热系统瞬态热分析模型,针对系统瞬态热问题进行合理分析,并按照相应的计算原则对任意时刻的结温问题进行合理计算?

与此同时,所构建的散热系统稳态热模型应该立足于热平衡条件情况,对于器件断电后散热器冷却过程所产生的散热能力情况进行明确研究与分析?需要注意的是,在构建强迫风冷散热系统瞬态热分析模型期间,工作人员应该立足于散热系统动态响应特点,对于散热系统任意时刻表面温度的计算方法进行动态分析,促使散热系统设计工作可以更加合理性与全面性?

2.3强迫风冷散热系统的热-结构优化设计内容

为确保散热系统可以满足小型化与轻量化发展目标,我们有必要对散热系统热结构优化设计问题进行统筹规划与合理部署?其中,以散热系统热结构优化设计为首的方法措施,基本上可以视为确保强迫风冷散热系统热-结构优化设计效果的重要保障?一般来说,散热系统热-结构优化设计主要以散热器结构参数为主要依据?与此同时,利用散热风扇的特性参数作为目标函数的设计变量?并在此基础上,对环境热阻以及散热系统的压降问题进行研究分析,以确保系统结构整体散热效果得以达到预期?在具体设计过程中,工作人员应该从电子设备结构以及风扇风压等因素方面对散热器的结构参数问题进行合理确定?

最好可以在安全可靠的范围内实现散热系统压力损失与重量的最小化?必要时也可以利用热力学第二定律的最小熵产原理,减少热动力学损失问题?以组合型矩形翅片散热器为例,在优化设计过程中,应该对几何参数及散热风扇的特性参数进行合理确定,并将其视为设计变量,对强迫风冷散热系统整体进行热结构优化?对强迫风冷散热系统进行热结构优化设计?根据设计反馈情况来看,这种设计方法不仅可以全方面加强散热系统的运行功能,同时还可以加强电力电子器件及其装置的运行质量?

3结论

本文在电力电子器件及其装置散热结构优化问题的研究分析方面,主要利用多芯片组件热优化设计原理,对电力电子器件及其装置散热结构优化问题进行统筹规划与合理设置?并在此基础上,严格按照优化设计指导原则,对强迫风冷散热器的热阻等效电路问题进行研究分析?根据分析反馈结果来看,利用热阻等效电路方法基本上可以加强热结构优化设计效果?与此同时,进一步对强迫风冷散热系统热稳态设计问题?瞬态热响应特性优化设计问题以及热-结构优化设计问题进行了总结与归纳?总体来看,通过合理应用上述方法措施,基本上可以达到优化电力电子器件及其装置散热效果的目的,具有重要的实行意义?

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