电力电子器件及其装置的散热结构优化研究

摘要

随着对航天科技水平要求的不断提高，高可靠性、高功率密度的航天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。本文主要深入研究了多芯片模块（MCM,Multi-Chip Module）散热影响因素的热优化方法、强迫风冷散热器的热阻计算方法、散热器瞬态温度的计算方法和高功率密度电力电子器件强迫风冷散热的热结构优化方法。
　　首先采用有限元方法分析MCM散热的主要影响因素，基于响应面方法提出了MCM结构参数、材料属性与芯片最高结温间关系的回归方程，重点定量计算了导热硅脂导热系数、基板导热系数、基板厚度和对流传热系数对MCM最高结温的影响，应用响应面回归方程对MCM进行热优化研究，并仿真分析了热优化后MCM的热应力分布。该回归方程为MCM初期热设计提供了一种更简单快速的方法。
　　通过研究电子设备强迫风冷散热系统设计中风扇与散热器的设计方法和选取依据，总结了强迫风冷散热系统的一般设计方法。散热器热阻是表征散热器散热能力的最关键参数，提出了强迫风冷散热器的热阻等效电路计算方法，为后文以散热器热阻最小化为目标函数的散热器热结构优化设计奠定了基础。
　　针对电力电子器件实际工作可能处于周期开关或各工况切换等非稳态的问题，本文基于能量守恒原理建立了强迫风冷散热系统的瞬态热分析模型，得出了散热器温升及冷却过程动态温度的计算方法。基于此提出了散热器表面器件总功耗保持不变，布局改变后散热器表面温度的瞬态计算方法，并提出了对应的等效散热器设计方法。瞬态热分析使得散热系统的设计更合理全面。
　　本文通过分析散热器结构参数对其散热能力的影响，以散热器的热阻、压降和重量为目标函数研究了散热器的热优化程序。基于熵产最小化原理采用遗传算法同时研究了热传导和压降引起的散热系统热力学损失，并对散热器的肋片参数进行优化设计。该优化方法便于强迫风冷散热系统的热机械设计。在热优化设计基础上提出了合理设计散热开孔形状和采用风罩的热结构优化方法，该方法可使散热系统中散热器的温升进一步降低，散热效果进一步提高。
　　电力电子器件内部以MCM为例的响应面散热结构优化，在器件实际封装过程中可指导最优设计参数和工艺的选择，以降低其最高结温，为系统级的散热设计奠定基础。电力电子器件外部基于总熵产最小化原理的散热系统优化研究，一方面降低器件结温，提高器件性能和可靠性。另一方面可减小散热系统的体积或重量，为电子设备小型化和轻量化提供思路和方法。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3 主要研究内容

第2章 多芯片组件的响应面热优化设计方法

2.1 引言

2.2 多芯片组件的稳态热模型

2.3 多芯片组件的三维温度场研究

2.4 影响MCM最高结温的因素及热结构优化研究

2.5 热优化后MCM的热应力分析

2.6 本章小结

第3章 基于热阻等效电路的散热器热阻计算方法

3.1 引言

3.2 强迫风冷散热系统稳态热设计

3.3 强迫风冷散热器的热阻等效电路计算方法

3.4 仿真分析

3.5 实验验证

3.6 本章小结

第4章 强迫风冷散热系统的瞬态热响应特性研究

4.1 引言

4.2 散热器表面温度的瞬态计算方法

4.3 电子负载设备散热器瞬态热性能的实例分析

4.4 散热器表面器件功耗布局相同、功耗值不同时的瞬态分析

4.5 器件总功耗相同、功耗布局不同时散热器的瞬态热性能

4.6 本章小结

第5章 强迫风冷散热系统的热-结构优化

5.1 引言

5.2 散热系统散热性能的影响参数

5.3 散热器的多目标热-结构优化

5.4 基于熵产最小化的强迫风冷散热器热-结构优化

5.5 对散热器优化设计的仿真分析

5.6 电子设备的热-机械结构优化

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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