0.前言介绍

之所以开这个散热设计学习小书系列，是对自己前几年做过的功率产品热设计的一个简单总结，结合一款变频器散热设计进行展开，考虑到小书系列，点到为止，更多的技术细节并未详细展开，如果有兴趣的话，欢迎讨论。
热设计的书，市面上有的过于简单不够系统，有的又各种公式推导，这本小书从一个实际案例出发，力求简单明了，能用图和文字的地方，就尽量避免公式。
主要分下面几个章节：

一般是小厂，自己玩，大多数都是稳态测试，做不同工作点的静态结果，评估寿命。

  • 风洞测试

像AVC之类的散热器或者风扇厂家，都会有风洞实验室，把散热器和风扇放到风洞一起进行测试，可以测试散热器风阻曲线，风扇的风阻曲线，还可以测试散热器散热动态曲线。

  • CFD仿真

这个真没玩过，感觉要牛逼的人才有资格，而且一定要和实测结果对比矫正，不然个人觉得意义不大。很多公司用CFD做散热仿真分析和设计，感觉好高大上，但是个人并不是很相信这套高大上的东西，因为之前工作，像AVC或者Merson这些牛逼公司，做出来的散热器仿真结果，与真实测试下来的仿真结果相差不小，所以CFD仅做一个定性参考比较，不可以做定量决策，要对比散热器产品，必须实测。
风冷散热设计分两部分

  • 风路设计
  • 热路设计

风路设计决定整个风路的风压与流量的工作点，而流量工作点最终决定散热器的平台温度。
热路设计决定功率芯片最高核心温度和温度波动大小。
两者混合优化，才会得到最高性价比的散热系统设计。

2.风路设计基础

不要一上来觉得很难，其实风路设计和电路设计有很多的相似之处，你可以看下面这张风道的等效电路图：
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图1.风道等效电路
风扇相当于电压源，风道相当于电阻，标准大气压相当于大地，风道流量相当于电流，特别要注意的地方是，这里所有元件都是非线性元件，而且我们只考虑静态阻性，不考虑动态特性，也就没有电容电感之类的等效器件。
风路设计，最终的目的就是选择风扇和风道风阻，得到一个合适的风压与风道流量工作点，因为流量决定了散热器的最终热阻大小，是热路设计中最重要的环节。
关于风扇选型，风道设计，还有海拔影响，后面有有更详细的介绍。

3.热路设计基础

和电路设计也有很多相似的地方，你可以看一下下面这张图：
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图2.热路Cauer等效电路（符号请参考附注）
在热路设计中，发热功率P对应电流源，热阻R对应电阻，温升ΔT对应电压，热容对应电容，这里与风路设计不同的地方，我们的考虑动态热性，所以有电阻与电容的等效，同时所有元件都是等效为线性元件。
如果你还云里雾里，那看看散热器结构图3，一般发热都是功率器件(Diode 或 IGBT)，然后通过导热基板(Base Plate是 功率器件的一部分，通过导热硅脂紧贴散热器)，导热硅脂主要是用于减少接触热阻，最下面就是散热器Heatsink。

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图3.功率器件与散热器结构图
散热的动态等效模型中有两种，一种是是图2中的Cauer等效电路，另一种是是图4中的Foster等效电路。

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图4.热路Foster等效电路
Cauer等效回路是基于实际物理特性实现对IGBT温度的瞬态效应的描述，具备真实的物理意义。而一般的IGBT数据手册中采用基于Foster等效回路进行描述，这种等效回路是采用指数曲线数值拟合的方式实现温升阻抗Zth(j-c)的描述，并不具有物理含义。
ABB或与英飞凌的技术文档里中IGBT Zth(j-c)的测试方法，均是通过饱和电压Vce-sat进行IGBT核心温度测量，具体测试流程如图5所示，先用恒功率对IGBT加热到核心温度Tj保持恒定，然后关断电流，在温度下降与上升过程中记录IGBT核心温度Tj(t)和基板温度Tc(t)。

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图5.Zth(j-c)的测试
Zth(j-c)的计算公式为：

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对Zth(j-c)进行指数曲线拟合，得到这样的表达，

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在功率器件的数据手册中，只要描述出热阻和其对应的时间常数，即可拟合出对应的Zth(j-c)，描述如图6所示，用了四组参数进行拟合。

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图6.Zth拟合示例
说了老半天，Zth的动态特性有什么意义呢？不要急，我们慢慢来，在变频器中基波频率是变化的，热阻网络本身又具备一个等效时间常数，所以不同频率下给功率器件造成的热冲击影响也是不一样的，我们看图7，对同一个热阻网络，最左边50Hz的热功率，基本被滤掉，只产生很小的热冲击，而最右边1Hz的热功率全部产生成对应的热冲击。
对于同一个热阻容散热系统，其相当于一个低通滤波器，频率高的热功率会被滤掉大部分，频率低的热功率会全部通过，所以这里涉及到热功率信号频率与散热系统的带宽概念，也就是我们前面说的Zth的。

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图7.不同频率电流产生的热冲击
更深入地热路设计，会对动态热冲击进行详细的估算，后面会有单独文章进行。

4.小结

不管你喜欢，还是不喜欢，你都逃不掉电路的影子！！
附注：

  • Diode：二极管
  • Ceramic：烤瓷基板
  • Base Plate：基板
  • Themal grease：导热硅脂
  • Heatsink：热池
  • Ta：环境温度
  • Th：热池温度
  • Tc：基板温度
  • Tj：结温
  • Rth(j-c)：芯片结到基板的热阻，即junction 到 Base plate 的热阻
  • Zth(j-c)：芯片结到基板的阻抗，即junction 到 Base plate的阻抗
  • Rth(c-h)：基板到热池的热阻，即Base plate 到 heatsink 的热阻，包含导热硅脂和Case与heatsink的接触热阻
  • Rth(h-a)：热池到空气的热阻，即heatsink到 air的热阻
  • Rth(c-a)：IGBT基板到空气的热阻，即Base plate到 air的热阻