7 附錄
7.1 元器件的功耗計(jì)算方法
根據(jù)實(shí)際使用工況，諸如工作電流，導(dǎo)通壓降等以及元器件的其它電氣參數(shù)計(jì)算元器件實(shí)際的功耗大小。元器件的種類不同，其功耗計(jì)算方法也不一樣，具體計(jì)算方法如下：

7.1.1電阻

電阻的發(fā)熱量由下式算得

P=I2R

或P=U2/R...................(16)

I--流過(guò)電流值(A); R--電阻值(Ω)

U--電阻兩端的電壓(V)

7.1.2 變壓器

變壓器的包括銅損和鐵損兩部分

Pb= Pw+ Pc...................................(17)

銅損按下式計(jì)算：

Pw =2³Ip³Np³Lp³Rz [2] .......... ...... ......(17a)

Ip-原邊有效電流， A

Np-原邊繞組的匝數(shù)，匝

Lp-每圈的平均長(zhǎng)度，cm

Rz-導(dǎo)線的阻抗，Ω/cm

鐵損按下式計(jì)算：

Pc=Pv³Ve[2]..........................(17b)

Pv-單位體積的鐵損，w/cm3

Ve-鐵芯體積，cm3

變壓器的溫升按下式計(jì)算：

Δt=850Pb/As [2]..................................(17c)

Pb-變壓器的總損耗，w

As-變壓器的表面積，cm2

7.1.3 功率器件耗散功率計(jì)算

7.1.3.1 雙極型晶體管(IGBT)

IGBT的功耗損耗主要由通態(tài)損耗(飽和損耗或穩(wěn)定損耗)及開(kāi)關(guān)損耗兩部分，分別按下式計(jì)算：

通態(tài)損耗(飽和損耗或穩(wěn)定損耗)：

Pc=UCEIcδ[3]...........................(18a)

開(kāi)關(guān)損耗：

Ps=(1/2)UCEOIc(ton+toff)fs

= (Eon+Eoff)fs[3].....................(18b)

總損耗：Pd=Pc+Ps .....................(18)

式中： UCE--通態(tài)集電極一發(fā)射極電壓(V)，給定值

UCEo--斷態(tài)集電極一發(fā)射極電壓(V)，給定值

Ic--通態(tài)電流(A)，給定值

δ--占空比，給定值

Eon,Eoff--開(kāi)關(guān)能量(焦耳)，從器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中查出。

fs--開(kāi)關(guān)頻率，給定值

7.1.3.2 功率MOSFET

MOSFET的損耗包括開(kāi)關(guān)損耗和通態(tài)損耗兩部分

通態(tài)功耗： Pd=IDS2RDS(ON)[3]...................(19a)

IDS--漏極電流，A,給定值

RDS(ON)-MOSFET在工作結(jié)溫下的通態(tài)熱阻，可按直接下式計(jì)算，也可以從器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中查。

RDS(ON)(Tj)=Ro[1+α(Tj-25o)], Ω, 通態(tài)電阻

Ro--25℃時(shí)額定值，給定值

α--溫度系數(shù)，一般為：0.01

開(kāi)關(guān)損耗：

開(kāi)通時(shí)損耗： PON=IceoVcetofff[2]........................(19b)

開(kāi)通過(guò)程損耗：Pr=IcVDStrf/6 = Ic2tr tr'f/6Crss [2]………………(19c)

關(guān)斷時(shí)損耗 Poff=IcVcestonf[2.......................(19d) 關(guān)斷過(guò)程損耗：Pf=IcVDStff/6＝Ic2tf tf'f/6Coss [2].........(19e)

式中：Iceo－集電極與發(fā)射級(jí)間的穿透電流，A Ic--集電極電流，A

Vce－集電極與發(fā)射極間的電壓，V

Vceo-飽和壓降，V

ton，toff-開(kāi)通及關(guān)斷時(shí)間，ns

tr,, tf-Vce的上升及下降時(shí)間，ns

tr', tf'-驅(qū)動(dòng)波形上升或下降時(shí)間，ns

Crss, Coss 朚OSFET 的輸入與輸出電容

MOSFET的總損耗為：

Ptotal=Pd+Pon+Poff+Pr+Pf......... ....................(19)

7.1.3.3 DC-DC開(kāi)關(guān)變換器輸出整流用功率二極管

功率二極管的損耗包括通態(tài)損耗及開(kāi)關(guān)損耗兩部分

通態(tài)損耗：Pd=VFIF.D[5]...... .......................(20a)

式中：VF－正向?qū)▔航担琕

IF.- 正向平均電流，A

D－占空比

開(kāi)通損耗：Pon=IFVFRMtrrD f /1000[5]..................(20b)

VRFM－正向恢復(fù)電壓，V

trr-反向恢復(fù)時(shí)間，ns

f-工作頻率，KHZ

關(guān)斷損耗：Poff=IRMKfVRtrrD f/2000[5]…………….…………(20c)

IRM 朹反向漏電流，A

Kf-比例系數(shù) resheji.com cliffcrag整理,一切資料來(lái)源于網(wǎng)絡(luò).

VR-穩(wěn)態(tài)反向電壓，V

總功耗＝d+Pon+Poff..................................(20)

7.2 散熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法
根據(jù)給定的結(jié)構(gòu)尺寸，遵照散熱器的設(shè)計(jì)原則初步設(shè)計(jì)出一種散熱器，在按以下步驟進(jìn)行校核計(jì)算。

6.2.1散熱器的熱阻

散熱器的熱阻是從大的方面包括三個(gè)部分。

RSA=R對(duì)+R導(dǎo)+ R輻hellip;.........(21)

R對(duì)=1/（αF1）...................(21a)

F1--對(duì)流換熱面積(m)

α--對(duì)流換熱系數(shù),按下式計(jì)算

自然對(duì)流： 層流 α＝1.42(△t/L)0.25

湍流 α＝1.31(△t)0.25

強(qiáng)迫風(fēng)冷 層流 α＝0.66Ref 0.5

湍流 α＝0.032Ref 0.8

R輻--輻射換熱熱阻 ，可忽略不計(jì)

R導(dǎo)＝R 基板＋R肋導(dǎo)

＝δ/(λF2)+（(1/η)-1）R對(duì)流....…..............(21b)

λ--導(dǎo)熱系數(shù)，w/m.h.℃

δ-- 散熱器基板厚度(m)

F2--基板的導(dǎo)熱面積(m)

F2=0.785*(d+δ)2

d- 發(fā)熱器件的當(dāng)量直徑（m）

η-- 肋效率系數(shù)

對(duì)直齒肋：

η=th(mb)/(mb)

m=(2α/λδ0)

δ0：肋片根部厚度(m)

b. 肋高(m)

RSA＝δ/(λF2)＋1/(αF1η)

7.2.2 散熱器的流阻

散熱器的流阻包括沿程阻力損失及局部阻力損失

△P＝hf+hj

=λf²L/d²V2/2g+ζV2/2g[5]...........................(22)

λf --沿程阻力系數(shù)

層流區(qū)：Re=Vd/υ≤2300 λf=64/Re

紊統(tǒng)光滑區(qū) 4000<Re<105 λf=0.3164/Re0.25

L--流向長(zhǎng)度(m)

d--當(dāng)量水利直徑(m)

d=4A流通/濕周長(zhǎng)

V--斷面流速(m/s)

ζ--局面阻力系數(shù)

突然擴(kuò)大：ζ＝(1-A2/A1)

突然縮小：ζ＝0.5(1-A1/A2)

A1.A2為進(jìn)口及出口面積(m)

υ--運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)（m2/s），從文獻(xiàn)[5]中查找

比較Rsa ≤[Rsa], △P≤[△P],如不滿足，重新進(jìn)行設(shè)計(jì)散熱器形狀，重復(fù)上面的步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，直到符合要求為止。

7.3 冷板散熱器的計(jì)算方法
7.3.1 冷板的換熱方程

冷板的換熱計(jì)算的方程式包括對(duì)流換熱方程和能量平衡方程。

當(dāng)安裝于冷板上的電子元器件所耗散的熱量通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流傳給冷板時(shí)，換熱關(guān)系時(shí)為：

Q放＝hA△tmη0............................(23)

其中：h-------對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2.℃

A-------參與對(duì)流的總面積，m2

△tm---對(duì)數(shù)平均溫差，℃

η0-----冷板的總效率

空氣通過(guò)冷板后所吸收的熱量為：

Q吸＝qmCp(t2-t1)................................(24)

其中：qm--------空氣的質(zhì)量流量，kg/s

Cp--------空氣的定壓比熱，J/kg .℃

t1,t2-------空氣的進(jìn)、出口溫度，℃

當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，冷板放出的熱量應(yīng)等于空氣吸收的熱量

7.3.2 冷板的換熱系數(shù)

冷板的換熱系數(shù)與肋片的形狀、結(jié)構(gòu)形式、流量和空氣的物理性質(zhì)有關(guān)

h= JGCpPr2/3 ................................(25)

其中：J-----考爾本數(shù)，J=6/Re 0.98 (Re<1800,層流)

J=0.023/Re 0.2 (Re>105,湍流)

G------質(zhì)量流速，Kg/(s.m2)

Pr------普朗特?cái)?shù)。

7.3.3 冷板的總效率

η0＝1－Af(1-ηf)/A.............................(26)

其中：ηf-----肋片的效率

Ar-----肋片的面積，m2

A------冷板的總面積，A＝At+Ar＋Ab, m2

At-----蓋板的面積，m2

7.3.4 冷板的設(shè)計(jì)計(jì)算

冷板的設(shè)計(jì)有兩類問(wèn)題，校核計(jì)算和設(shè)計(jì)計(jì)算，

7.3.4.1校核計(jì)算，已知冷板的結(jié)構(gòu)類型、尺寸、冷卻劑的流量和工作環(huán)境，要求校核冷板是否滿足所要求的傳熱量以及克服流經(jīng)冷板通道的壓降；

(1)、已知參數(shù)：冷板的尺寸，肋片參數(shù)、空氣流量、當(dāng)量直徑de(de=4χ/Afi)，通道面積Af，換熱面積A，冷板散熱器最高臺(tái)面溫度、風(fēng)扇的流量及壓頭；

傳熱計(jì)算

(2)、確定空氣流過(guò)冷板后的溫升：

△t= Q/qmCp..............................(27)

(3)、確定定性溫度

tf=(2ts+t1+t2)/4..............................(28)

冷板臺(tái)面溫度 ts為假定值

(4)、確定定性溫度下的物性參數(shù)(μ、Cp、ρ、Pr)，流體的質(zhì)量流速和雷諾數(shù)

G=qm/Af ......................……...............(29) Re=deG/μ

(5)、根據(jù)雷諾數(shù)確定流體的狀態(tài)(層流或紊流)，

Re<1800, 層流

Re>105, 湍流

(6)、根據(jù)流體的狀態(tài)(層流或紊流)計(jì)算考爾本數(shù)J

Re<1800,層流 J=6/Re 0.98

Re>105,湍流 J=0.023/Re 0.2

也可以根據(jù)齒形及雷諾數(shù)從GJB/Z 27-92 圖12－18查得

(7)、計(jì)算冷板的換熱系數(shù)

h= JGCpPr2/3

(8)、計(jì)算肋片的效率

m=(2h/λδ)0.5

ηf=th(ml)/ml（也可以根據(jù)ml值查相應(yīng)的圖表得到肋片效率)

(9)、計(jì)算冷板的總效率

忽略蓋板及底板的效率，總效率為： A＝At+Ar＋Ab

η0＝1－Ar(1-ηf)/A

(10)、計(jì)算傳熱單元數(shù)

NTU＝hη0A/qmCp .......................(30) (11)、計(jì)算冷板散熱器的臺(tái)面溫度

ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1).....................(31)

流體流動(dòng)阻力計(jì)算

(12)、計(jì)算流通面積與冷板橫截面積之比

σ=Af/Ac....................…….........(32)

(13)、查空氣進(jìn)入冷板時(shí)入口的損失系數(shù)Kc=f(Re,σ)

根據(jù)雷諾數(shù)Re及σ從GJB/Z 27-92 圖12－16及圖12－16查得

(14)、查空氣流出冷板時(shí)出口的損失系數(shù)Ke=f(Re,σ)

根據(jù)雷諾數(shù)Re及σ從GJB/Z 27-92 圖12－16及圖12－16查得

(15)、查摩擦系數(shù)f=f(Re,σ)

根據(jù)雷諾數(shù)Re從GJB/Z 27-92 圖12－18查得

(16)、計(jì)算流動(dòng)阻力

△P＝G2[(Kc+1-σ2)+2(ρ2/ρ1-1)+f ρ1A/(Afρm)-(1-σ2-Ke)ρ1/ρ2]/(2ρ1)...(26)

(17)、確定是否滿足ts<[ts]，如不滿足，需增大換熱面積或增大空氣流量。

確定是否滿足△P<[△P]，如果不滿足，需減小冷板的阻力(如選擇阻力較小的齒形、增大齒解決等)或重新選擇壓頭較大的風(fēng)扇。

7.3.4.2 設(shè)計(jì)計(jì)算：已知功耗、冷卻劑流量、壓降和工作環(huán)境，要求設(shè)計(jì)一個(gè)滿足要求的冷板裝置(結(jié)構(gòu)尺寸)

(1)、根據(jù)預(yù)設(shè)的冷板結(jié)構(gòu)尺寸，選取肋片參數(shù)，肋片間距，單位長(zhǎng)度通道面積Ac0，單位長(zhǎng)度、單位寬度的換熱面積Af0，初選風(fēng)扇流量及壓頭。

傳熱計(jì)算

(2)、確定空氣流過(guò)冷板后的溫升：

△t= Q/qmCp

(3)、確定定性溫度

tf=(2ts+t1+t2)/4

冷板臺(tái)面溫度 ts為假定值

(4)、設(shè)定冷板的寬度為b，則通道的橫截面積為Ac

Ac=b³Ac0

(5)、確定定性溫度下的物性參數(shù)(μ、Cp、ρ、Pr)，流體的質(zhì)量流速和雷諾數(shù)

G=qm/Af Re=deG/μ

(6)、根據(jù)雷諾數(shù)確定流體的狀態(tài)(層流或紊流)，

Re<1800, 層流

Re>105, 湍流

(7)、根據(jù)流體的狀態(tài)(層流或紊流)計(jì)算考爾本數(shù)J

Re<1800,層流 J=6/Re 0.98

Re>105,湍流 J=0.023/Re 0.2

也可以根據(jù)齒形及雷諾數(shù)從GJB/Z 27-92 圖12－18查得

(8)、計(jì)算冷板的換熱系數(shù)

h= JGCpPr2/3

(9)、計(jì)算肋片的效率

m=(2h/λδ)0.5

ηf=th(ml)/ml（也可以根據(jù)ml值查相應(yīng)的圖表得到肋片效率)

(10)、計(jì)算冷板的總效率

忽略蓋板及底版的效率，總效率為： A＝At+Ar＋Ab

η0＝1－Ar(1-ηf)/A

(11)、計(jì)算傳熱有效度

ε=(t2-t1)/(ts-t1)............................(33)

(12)、計(jì)算傳熱單元數(shù)

NTU=㏑(1/(1-ε))...........................(34)

(13)、計(jì)算所需的傳熱面積

A＝qmCpNTU/hη0 (14)、計(jì)算冷板散熱器的長(zhǎng)度

D＝A/Af0b

流體流動(dòng)阻力計(jì)算

(15)、計(jì)算流通面積與冷板橫截面積之比

σ=Af/Ac

(16)、查空氣進(jìn)入冷板時(shí)入口的損失系數(shù)Kc=f(Re,σ)

根據(jù)雷諾數(shù)Re及σ從GJB/Z 27-92 圖12－16及圖12－16查得

(17)、查空氣流出冷板時(shí)出口的損失系數(shù)Ke=f(Re,σ)

根據(jù)雷諾數(shù)Re及σ從GJB/Z 27-92 圖12－16及圖12－16查得

(18)、查摩擦系數(shù)f=f(Re,σ)

根據(jù)雷諾數(shù)Re從GJB/Z 27-92 圖12－18查得

(19)、計(jì)算流動(dòng)阻力

△P＝G2[(Kc+1-σ2)+2(ρ2/ρ1-1)+f ρ1A/(Afρm)-(1-σ2-Ke)ρ1/ρ2]/(2ρ1)

(20)、確定是否滿足A<[A]，如果不滿足，重新設(shè)定b、D值，重復(fù)進(jìn)行上述計(jì)算，直到滿足條件為止。

確定是否滿足△P<[△P]，如果不滿足，需減小冷板的阻力(如選擇阻力較小的齒形、增大齒解決等)或重新選擇壓頭較大的風(fēng)扇。

7.4 強(qiáng)迫風(fēng)冷產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)檢查模板
7.4.1 元器件的選擇、排列與安裝時(shí)的熱設(shè)計(jì)

? 是否了解元器件的熱阻及極限結(jié)溫？
? 是否了解元器件的安裝力矩及接觸熱阻？
? 是否分清了熱敏感元器件？
? 是否分清了發(fā)熱量大的元器件？
? 熱敏感元器件與發(fā)熱量大的元器件排列安裝是否合適？
? 發(fā)熱量大的元器件是否采用了散熱器進(jìn)行冷卻？
? 散熱器選用是否合適？設(shè)計(jì)是否合理？易于生產(chǎn)嗎？
? 發(fā)熱元器件的引線應(yīng)盡量短，印制線應(yīng)加寬。
? 接近發(fā)熱元器件的樹(shù)脂、線材等的耐熱是否充分？
? 由于熱引起的尺寸變化是否作了考慮？
? 元器件的排列是否考慮了煙囪效應(yīng)？
? 元器件的安裝方向是否最優(yōu)？
? 是否將發(fā)熱量大的元器件放在出風(fēng)口處，將熱敏感元器件放在進(jìn)風(fēng)口處？
7.4.2 模塊布局及結(jié)構(gòu)的的熱設(shè)計(jì)

? PCB板的排列是否考慮了熱？（發(fā)熱量大的PCB不能緊挨排列）
? PCB板是否垂直安裝？排列的距離是否合適？
? PCB板的位置是否阻塞風(fēng)道？
? 是否對(duì)氣流進(jìn)行了合理分配和控制,以使所有的元器件都得到好處？
? 機(jī)箱的設(shè)計(jì)是否考慮了熱？選材利于散熱嗎？
? 機(jī)箱是否開(kāi)有通風(fēng)口？
? 通風(fēng)口大小是否合適？
? 機(jī)箱內(nèi)的流路是否通暢？
? 風(fēng)扇的風(fēng)量及壓頭是否合適？
? 風(fēng)扇的種類是否合適？
? 風(fēng)扇能否耐住模塊內(nèi)的溫升？
? 風(fēng)扇發(fā)生故障時(shí)，是否有保護(hù)措施？
? 是采用抽風(fēng)還是鼓風(fēng)方式？
? 對(duì)風(fēng)扇的噪音是否進(jìn)行了考慮？
? 風(fēng)扇更換是否方便？
7.4.3 機(jī)柜的熱設(shè)計(jì)

? 機(jī)柜的選材是否有利于散熱？
? 機(jī)柜是否開(kāi)有通風(fēng)口？
? 通風(fēng)口的大小合適嗎？
? 是否考慮了模塊間的熱影響？
? 是否充分利用了煙囪效應(yīng)？ 

熱設(shè)計(jì)規(guī)范下載:  艾默生熱設(shè)計(jì)規(guī)范.pdf

 

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