⑵ 模块内部的热设计。为满足电子模块的可靠性要求，设计上必须保证模块处于最大功耗时及在其额定界面温度下，使所有元器件的温度低于元器件的临界温度(即比有关规范规定的额定值的100%低20℃的温度)。元器件的瞬态临界温度(指额定值)可看作安全因子，当散热片和导轨温度达到80℃(比最高界面温度高20℃)时所有元器件的温度应低于或等于元器件的瞬态临界温度。
9．3整机散热设计
⑴ 确定整机的热耗和分布。
⑵ 根据整机结构尺寸初步确定散热设计方案。
⑶ 对确定的冷却方式进行分析(如强迫风冷的风机数量，选型，级联方式，风道尺寸，风量大小，控制方式等)。
⑷ 针对分析结果可利用热分析软件进一步验证。
⑸ 对散热方案进行调整进而最后确定。
9．4 机壳的热设计
电子设备的机壳是接受设备内部热量，并通过它将热量散发到周围环境中去的一个重要热传递环节。机壳的设计在采用自然散热和一些密闭式的电子设备中显得格外重要。试验表明，不同结构形式和涂覆处理的机壳散热效果差异较大。机壳热设计应注意下列问题：
（1）增加机壳内外表面的黑度，开通风孔（百叶窗）等都能降低电子设备内部元器件的温度；
（2）机壳内外表面高黑度的散热效果比两测开百叶窗的自然对流效果好，内外表面高黑度时，内部平均降温20℃左右，而两侧开百叶窗时（内外表面光亮），其温度只降8℃左右；
（3）机壳内外表面高黑度的降温效果比单面高黑度的效果好，特别是提高外表面黑度是降低机壳表面温度的有效办法；
（4）在机壳内外表面黑化的基础上，合理地改进通风结构（如顶板、底板、左右两侧板开通风孔等），加强空气对流，可以明显地降低设备的内部温度环境；
（5）通风口的位置应注意气流短路而影响散热效果，通风孔的进出口应开在温差最大的两处，进风口要低，出风口要高。风口要接近发热元件，是冷空气直接起到冷却元件的作用；
（6）在自然散热时，通风孔面积的计算至关重要，图3示出了通风孔面积与散热量的关系，可供设计通风口时作依据，亦可根据设备需要由通风口的散热量用下式计算通风孔的面积。
S0=Q/7.4×10-5·H · △t1. 5 （4）
式中：
S0——进风口或出风口的总面积〔cm2〕；
Q——通风孔自然散热的热量〔设备的总功耗减去壁面自然对流和辐射散去的热量〕〔W〕；
H——进出风口的高度差〔cm〕；
△t ==t2-t1——设备内部空气温度t2与外部空气温度t1之差〔0C〕。
（7）通风口的结构形式很多，有金属网，百叶窗等等，设计时要根据散热需要，既要使其结构简单，不易落灰，又要能满足强度，电磁兼容性要求和美观大方。
（8）密封机壳的散热主要靠对流和辐射，决定于机壳表面积和黑度，可以通过减小发热器件与机壳的传导热阻，加强内部空气对流（如风机）增加机壳表面积（设散热筋片）和机壳表面黑度等来降低内部环境温度。
图3 自然散热时通风孔面积和散热量的关系
9．5强迫风冷设计
当自然冷却不能解决问题时，需要用强迫空气冷却，即强迫风冷。强迫风冷是利用风机进行鼓风或抽风，提高设备内空气流动速度，达到散热的目的。强迫风冷的散热形式主要是对流散热，其冷却介质是空气。强迫风冷在中、大功率的电子设备中应用较广范，因为它具有比自然冷却多几倍的热转移能力，与其他形式的强迫冷却相比具有结构简单，费用较低，维护简便等优点。
整机强迫风冷系统有两种形式：鼓风冷却和抽风冷却。
鼓风冷却的特点是风压大，风量比较集中。适用于单元内热量分布不均匀，风阻较大而元器件较多的情况。
抽风冷却的特点是风量大，风压小，风量分布较均匀，在强迫风冷中应用更广泛。
对无管道的机柜抽风，整个机柜相当于一个大风管，要求机柜四周密封好，测壁上也不应开孔，只允许有进、出风口。考虑热空气上升，抽风机常装在机柜上部或顶部，出风口面对大气，进风口则装在机柜下部，这种风冷形式常适用于机柜内各元件冷却表面风阻较小的设备。对于在气流上升部位有热敏元件或不耐热元件的设备则必须用风道使气流避开，并沿需要的方向流入其进风口，通常在机柜侧面，出风口（抽风口机）在机柜顶部。
9．6 散热器的热设计
9．6．1散热器的选择与使用
从传导公式可以看出，在器件内热阻，界面热阻和散热器热阻一定的情况下，器件功耗直接影响结温。因此，热设计的任务就是尽可能减少界面热阻和散热器热阻。对器件与散热器的接触面进行光洁处理、适度增加接触压力、充分利用接触面积、减少接触面插入物质厚度和选用低热阻率的导热绝缘衬垫可以有效降低界面热阻。使用导热衬垫时还要考虑六个月以后的界面热阻会有约20%的增加。
9．6．2散热器选用原则
⑴根据器件功耗、环境温度及允许最大结温来选择合适的散热器。
⑵器件与散热器的接触面应保持平整光洁，散热器的安装孔要去毛刺。
⑶器件与散热器和绝缘片间的所有接触面处应涂导热膏或加导热绝缘硅橡胶片。
⑷型材散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装，以便于自然对流。
⑸散热器应进行表面处理，以增强辐射换热。
⑹应考虑体积、重量及成本的限制和要求。
9．6．3散热器结构设计基本准则
⑴选用导热系数大的材料（如铜和铝等）。
⑵尽可能增加散热器的垂直热面积。
⑶晶体管安装平面平整光洁，以减小接触热阻。
⑷散热器的结构工艺和经济性要好。
10 热设计、热分析在风机变流器的应用
图 4 主功率模块安装在散热器上的图片
具体的计算要按上述分析的步骤，不再熬述。这里只阐述相关的方法和步骤。
首先根据主功率模块（IGBT）的发热量来选用散热器，散热器的选择最好是基面和散热齿是整体挤压的结构，这种散热器热阻小，有利于模块的散热。
考虑到六个IGBT模块的发热量比较大，采用自然风冷不能解决问题，所以采用强迫风冷抽风冷却的形式。风机选用德国进口ebm三相700W的大风机。
为了提高散热效果，在六个主功率模块后面制作一件漏斗，另外将散热器的前断面紧贴主机柜的前门，缩短风道长度利于散热。
在主机柜正对着模块散热器的部位开六个长方形的进风口，使每个模块都形成各自独立的风道，大大地提高了散热效果。
图 5 主机柜门上开孔正对着六个模块形成独立风道的图片
考虑主机柜下面的电抗器及电阻的发热会影响主功率模块的散热，所以将电抗器和电阻部分的热量设计成另外的一件漏斗，后部采用强迫风冷的抽风结构，将电抗器和电阻的热量抽出，这样主功率模块和下面的电抗器及电阻各自形成自己的风道，互不干扰，保证整个元器件的有效散热。
图 6 主机柜下部的电抗器和电阻形成独立风道的图片
11 结 束 语
热设计的基本理论除了传热学和流体力学外，还涉及物理学、化学、材料学、环境学及数学等学科，它是综合学科的反映，一个好的热设计师必须掌握热设计的基本理论，及相应的知识。
热设计是全方位的，从系统、整机、单元、模块到元器件和原材料都要综合分析和设计，各有各的热设计特殊性，必须进行全方位的进行热设计，有一个方面考虑不周，可能导致产品热设计不能满足要求，进而使产品可靠性不能满足用户要求。
热设计〔控制〕是全过程的，从产品方案设计、设计与研制、生产与使用必须进行全过程热设计〔控制〕监控，只要有一个环节失控，就达不到热设计预定的目标。
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