由市场开发经理 Olivier Mathieu 发表
先进电子解决方案
电力电子系统的最佳性能和可靠性需要通过热管理来实现。但在实际操作中，电力半导体通常会因传导和开关损耗而产生大量余热。这些热量必须从半导体芯片处散到半导体封装中，最终排入周边环境，进而避免出现过热现象。当然，随着半导体技术的不断改进，在未来几十年内，热损耗将会得到进一步的降低。但器件尺寸缩小的速度更快，从而导致热流密度增加。因此，设计工程师必须处理这些散热问题，并提出电力器件冷却的新方法。
热流密度
从理论上来说，若可用的散热面积和体积没有受到限制，则可散去大量热量。可惜的是，这在现实中通常很难实现，特别是组装于狭小包装且集成系统的冷却空间极为有限的电力半导体、高亮度LED和激光二极管中。因此，当我们提到热流时，我们应考虑每单位面积内的热流。电力半导体器件的热流密度通常在100W/cm²的范围内。
Laser diode bars generate even more heat. They transform a given electrical input power into useful optical power. 这些二极管的尺寸非常小（通常为10mm×1mm），其功率转换效率通常较低或为中等。这无疑表明有大量热量集中在极小的空间内。如今的热流密度通常可以达到1000W/cm²，而未来产品的热流密度可能更高。
热交换技术的基本原理
热量交换通常仅发生于传导、对流、辐射或三者组合中。热辐射指物体通过原子和分子随温度改变进行的随机移动，将电磁辐射从物体表面向外散发的散热方式。虽然热辐射对许多应用都有重要影响，但其对电力电子整体散热的贡献通常可以忽略不计。整个系统散热的主要机理是将热量从半导体芯片传导到外壳上，然后将热量从外壳对流到周围环境中。
从半导体芯片到外壳的热传导
热传导指，通过媒介将热量从高温区域（此处为小型半导体芯片）转移到低温区域（通常为大表面散热底板或底部与冷却介质接触的外壳）。使用的媒介可以是印刷电路板或其它附设半导体芯片的基板。热源和外壳底部的温差会驱动热流，但基板可凭借其材料等级、厚度和与冷却剂接触的表面来阻止热量流动。
材料导热的能力描述为热导率。这是材料的固有性质。这就是说，均质材料的热导率取决于材料尺寸、形状和指向（但会随温度升高而稍微增加）。铜等金属有非常优秀的热导率，最高可达400W/mK，视铜纯度而定。铜非常适用并被广泛用作半导体封装的引线框架或底板。但为遵循安全规则，半导体必须与地面绝缘。可惜的是，具有优秀电绝缘性能的材料，其热导率通常比铜要低很多。例如，对于印刷电路板所用的玻璃纤维增强环氧树脂，其热导率低于1W/mK。若是陶瓷填充的环氧树脂，则可增加一个数量级。The best thermal conductivity can be achieved by ceramics which are used in Direct Bond Copper (DBC) and Active Metal Brazed (AMB) substrates. Their thermal conductivity spans from 24W/mK for Al2O3 up to 180W/mK for AlN.
此外，若某项应用的电绝缘对这些绝缘层的厚度有具体要求，这些绝缘层有显著的阻热流作用。例如，在热源和外壳底部之间充当热阻。When heat encounters such a thermal barrier it starts looking for a less resistant way to escape from the high temperature region before being forced to go through the thermal barriers. This physical behavior is called “heat spreading” and plays an important role in power electronics.
从外壳到周边环境的热交换
Ultimately, heat is spread and conducted to the bottom of the case – usually a heat sink: the larger the contact surface between the bottom of the case and the coolant is, the more heat is exposed to and can be exchanged with the coolant by convection. 散热器有各种形状和各种散热片以尽可能增加接触表面。通过对流与冷却剂发生热交换。这不仅取决于大接触表面和冷却剂之间的温差，还取决于冷却液的流动。我们所说的“自由对流”指因流体温度变化引起的密度变化而产生的浮力，进而引起的流体运动。与自由对流相反，当风扇或水泵等外力强迫流体从热表面流过时，则被称为“强制对流”。在两种情况中，流动可发生在内部或外部。当流体处于封闭的固体边界内，如经管道或通道流过时，则发生内流。当流体可以无限延伸，没有固体表面阻拦时，则发生外流。最后，我们来区分一下“层流”和“湍流”。后者的特点是压力和流速的变化非常混乱。这与层流相反。后者发生于流体在没有任何干扰的平行层流动时。很明显，强制对流和结构内的湍流可以实现最佳散热。“传热系数”指“热流”和热流“热力学驱动力”间的比值关系，在这种情况下就是温差。传热系数的典型值从极少到几千W/m²K不等。对于给定流体，强制对流一向优于自由对流，但其外部流体运动来源的成本更高。液体冷却的传热系数比气体冷却高出几个数量级，因此远胜于后者。但液体冷却自身也有风险和潜在问题，如泄露、腐蚀和冷凝等。因此，液体冷却通常适用于功率密度过高不适用空气冷却散热的应用。但当应用需要紧凑轻量的解决方案时，则应优先考虑液体冷却而非空气冷却。液体冷却解决方案的例子包括冷板和冷管、喷射冲击、宏通道和微通道冷却器。
气体的自由对流不仅易于设计、价格合理，它也是一种非常流行的冷却技术。但对于大部分电力电子应用而言，其冷却性能还远远不够。在工业应用中，强制空气对流是首选冷却技术，而当设计师面临空间上的限制时，则需要采用液体冷却。冷却介质的相变也可以有效地实现热交换。在两相系统中，当冷却介质从液体变为气体时，热量被转移到冷却介质中。随后，冷却介质将被送往空气冷凝器，其中冷却介质将从气体变回液体。在这种两相系统中，通常用泵、重力或毛细力运送冷却介质。
找到热传导和热对流间正确的平衡点
在设计冷却系统时，必须考虑半导体芯片到外壳的热传导和外壳到周围环境的热交换。同时，必须考虑热量从半导体芯片到周围环境的传播路径。一般而言，对于任何给定材料叠层，随着热交换（从外壳到周边环境）的改进，热扩散效应会降低，而发生在整个散热路径（从半导体芯片到周边环境）上的热传导（从半导体芯片到外壳）将会增加。但当从半导体芯片到外壳的热传导非常少时，冷却剂热传导的优化工作将变得价格昂贵且效率低下。而当冷却剂的成本很低但热界面很少时，虽然昂贵的材料有非常优秀的热传导性能，但这实际上没有什么帮助。找到热传导和热对流间正确的平衡点并不容易，因为从芯片到系统的供应链可以被分为许多子单元。在过去几年中，随着越来越多的紧凑模块和集成冷却电路被投入市场，以保证所需的热性能，设计变化正迅速发生，可以满足终端用户对产品性能的各种需求。
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Olivier's Twist 博客, 通用工业
发布于 2018 年 6 月 1 日
