1目的
建立一個(gè)電子設(shè)備在強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下的熱設(shè)計(jì)規(guī)范，以保證設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)元器件如開關(guān)管、整流管、IPM模塊、整流橋模塊、變壓器、濾波電感等的工作溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而保證電子設(shè)備在設(shè)定的環(huán)境條件下穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行。
2 適用范圍
本熱設(shè)計(jì)規(guī)范適用于強(qiáng)迫風(fēng)冷電子設(shè)備設(shè)計(jì)與開發(fā)，主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：
? 機(jī)殼的選材
? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布局
? 器件的選擇
? 散熱器的設(shè)計(jì)與選用
? 通風(fēng)口的設(shè)計(jì)、風(fēng)路設(shè)計(jì)
? 熱路設(shè)計(jì)
? 選擇風(fēng)扇
3 關(guān)鍵術(shù)語
3.1 熱環(huán)境
設(shè)備或元器件的表面溫度、外形及黑度，周圍流體的種類、溫度、壓力及速度，每一個(gè)元器件的傳熱通路等情況
3.2 熱特性
設(shè)備或元器件溫升隨熱環(huán)境變化的特性，包括溫度、壓力和流量分布特征。
3.3導(dǎo)熱系數(shù)(λ w/m.k)
表征材料熱傳導(dǎo)性能的參數(shù)指標(biāo)，它表明單位時(shí)間、單位面積、負(fù)的溫度梯度下的導(dǎo)熱量。
3.4 對(duì)流換熱系數(shù)（α w/m2.k）
對(duì)流換熱系數(shù)反映了兩種介質(zhì)間對(duì)流換熱過程的強(qiáng)弱，表明了當(dāng)流體與壁面間的溫差為1℃時(shí)，在單位時(shí)間通過單位面積的熱量。
3.5 熱阻(℃/w)
反映介質(zhì)或介質(zhì)間傳熱能力的大小，表明了1W熱量所引起的溫升大小。
3.6流阻(Pa)
流阻反映了流體流過某一通道時(shí)所產(chǎn)生的壓力差。
3.7 雷諾數(shù)（Re）
雷諾數(shù)的大小反映了流體流動(dòng)時(shí)的慣性力與粘滯力的相對(duì)大小，雷諾數(shù)是說明流體流態(tài)的一個(gè)相似準(zhǔn)則。
3.8 普朗特?cái)?shù)(Pr)
普朗特?cái)?shù)是說明流體物理性質(zhì)對(duì)換熱影響的相似準(zhǔn)則。
3.9 格拉曉夫數(shù)(Gr)
格拉曉夫數(shù)反映了流體所受的浮升力與粘滯力的相對(duì)大小，是說明自然對(duì)流換熱強(qiáng)度的一個(gè)相似準(zhǔn)則。
3.10 定性溫度
確定對(duì)流換熱過程中流體物理性質(zhì)參數(shù)的溫度。
3.11 肋片的效率
表示某擴(kuò)展表面單位面積所能傳遞的熱量與同樣條件下光壁所能傳遞的熱量之比。
3.12 黑度
實(shí)際物體的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比，它取決于物體種類、表面狀況、表面溫度及表面顏色。
3.13 努謝爾特?cái)?shù)Nu(Nusseltl)
反映出同一流體在不同情況下的對(duì)流換熱強(qiáng)弱，是一個(gè)說明對(duì)流換熱強(qiáng)弱的相似準(zhǔn)則。
3.14 傳熱單元數(shù)NTU
為無因次量，其數(shù)值反映了在給定條件下所需傳熱面積的大小，是一個(gè)反映冷板散熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的指標(biāo)。
3.15 冷板的傳熱有效度E
衡量冷板散熱器在傳遞熱量方面接近于理想傳熱狀況的程度，它定義為冷板散熱器的實(shí)際傳熱量和理論傳熱量之比，為無因次量
3.16 防塵網(wǎng)的阻力
防塵網(wǎng)對(duì)氣流形成阻力。防塵網(wǎng)積灰，阻力增加，當(dāng)阻力增大到某一規(guī)定值時(shí)，過濾器報(bào)廢。新防塵網(wǎng)的阻力稱“初阻力”；對(duì)應(yīng)防塵網(wǎng)報(bào)廢的阻力值稱“終阻力”。設(shè)計(jì)時(shí)，常需要一個(gè)有代表性的阻力值，以核算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)風(fēng)量，這一阻力值稱“設(shè)計(jì)阻力，慣用的方法是取初阻力與終阻力的平均值。
3.17 外部環(huán)境溫度的定義
自冷時(shí)指距設(shè)備各主要表面80mm處的溫度平均值；強(qiáng)迫風(fēng)冷（使用風(fēng)扇）時(shí)指距離空氣入口80~200mm截面的溫度平均值。
3.18 機(jī)箱表面的溫度定義
機(jī)箱表面溫度指在機(jī)箱各表面幾何中心處的溫度。
3.19 設(shè)備風(fēng)道的進(jìn)、出口風(fēng)溫的定義
冷卻空氣入口、出口溫度指在入口或出口處與風(fēng)速方向垂直的截面內(nèi)各點(diǎn)溫度的平均值。
3.20 冷板散熱器
指采用真空釬焊、錫焊、鏟齒或插片工藝成型的齒間距較密，寬高比較大的散熱器。
4引用/參考標(biāo)準(zhǔn)或資料
下列標(biāo)準(zhǔn)包含的條文，通過在本標(biāo)準(zhǔn)中引用而構(gòu)成本標(biāo)準(zhǔn)的條文。在標(biāo)準(zhǔn)出版時(shí)，所示版本均為有效。所有標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)被修訂，使用本標(biāo)準(zhǔn)的各方應(yīng)探討使用下列標(biāo)準(zhǔn)最新版本的可能性。
GBxxxxx-89 電力半導(dǎo)體器件用散熱器使用導(dǎo)則
GB11456-89 電力半導(dǎo)體器件用型材散熱器技術(shù)條件
GJB/Z27-92 國家軍用標(biāo)準(zhǔn)匯編,電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)手冊(cè)
GB/T 12992-91 電子設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷熱特性測(cè)試方法
GB/T 12993-91 電子設(shè)備熱性能評(píng)定
電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)
TS-S0E0199001 電子設(shè)備的強(qiáng)迫風(fēng)冷熱設(shè)計(jì)規(guī)范
分散式散熱產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)規(guī)范
5 規(guī)范內(nèi)容
5.1 遵循的原則
5.1.1進(jìn)行產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)應(yīng)與電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，平衡熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)各種需求。
5.1.2 熱設(shè)計(jì)應(yīng)遵循相應(yīng)的國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、公司標(biāo)準(zhǔn)。
5.1.3 熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足產(chǎn)品的可靠性要求，以保證設(shè)備內(nèi)的元器件均能在設(shè)定的熱環(huán)境中正常工作，并保證達(dá)到設(shè)定的MTBF指標(biāo)。
5.1.4 各個(gè)元器件的參數(shù)選擇、安裝位置與方式必須符合散熱要求。
5.1.4.1元器件的發(fā)熱表面與散熱表面之間的接觸熱阻應(yīng)盡可能小。
5.1.4.2 根據(jù)元器件的損耗大小及溫升要求確定是否加裝散熱器。
5.1.4.3 在規(guī)定的使用期限內(nèi)，冷卻系統(tǒng)(如風(fēng)扇等)的故障率應(yīng)比元件的故障率低。
5.1.5 模塊的控制回路中盡可能加裝溫度繼電器、壓力繼電器等熱保護(hù)回路以及風(fēng)速調(diào)節(jié)回路，以提高系統(tǒng)的可靠性。
5.1.6 在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮相應(yīng)的設(shè)計(jì)冗余，以避免在使用過程中因工況發(fā)生變化而引起的熱耗散及流動(dòng)阻力的增加。
5.1.7 熱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，在保證散熱的前提下使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠且體積最小、成本最低。
5.1.8 冷卻系統(tǒng)要便于測(cè)試與維護(hù)。
5.1.9 采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的條件：在常壓下，強(qiáng)迫風(fēng)冷的應(yīng)用范圍為0.04-0.31w/cm2，小于0.04w/cm2采用自然冷卻，大于0.31 w/cm2須采用水冷或其它表面冷卻。
5.2 產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)要求
5.2.1產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)
5.2.1.1 散熱器的表面溫度最高處的溫升應(yīng)小于45℃.
5.2.1.2 模塊內(nèi)部空氣的平均溫升應(yīng)小于20℃。
5.2.2 元器件的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)
元器件的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)符合TS-S0A0204001《器件應(yīng)力降額規(guī)范》，具體指標(biāo)如下：
5.2.2.1 功率器件的工作結(jié)溫應(yīng)小于最大結(jié)溫的(0.5-0.8)倍
對(duì)額定結(jié)溫為175℃的功率器件, 工作結(jié)溫小于140℃.
對(duì)額定結(jié)溫為150℃的功率器件, 工作結(jié)溫小于120℃.
對(duì)額定結(jié)溫為125℃的功率器件, 工作結(jié)溫小于100℃.
5.2.2.2 碳膜電阻 120℃
金屬膜電阻 100℃
壓制線繞電阻 150℃
涂剝線繞電阻 225 ℃
5.2.2.3 變壓器、扼流圈表面溫度
A級(jí) 90 ℃
B級(jí) 110 ℃
F級(jí) 150 ℃
H級(jí) 180 ℃
5.2.2.4 電容器的表面溫度
紙質(zhì)電容器 75-85℃
電解電容器 65-80℃
薄膜電容器 75-85℃
云母電容器 75-85℃
陶瓷電容器 75-85℃
5.3 系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)
5.3.1 常見系統(tǒng)的風(fēng)道結(jié)構(gòu)
5.3.1.1系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計(jì)的一些基本原則：
? 盡量采用直通風(fēng)道，避免氣流的轉(zhuǎn)彎。在氣流急劇轉(zhuǎn)彎的地方，應(yīng)采用導(dǎo)風(fēng)板使氣流逐漸轉(zhuǎn)向，使壓力損失達(dá)到最小。
? 盡量避免驟然擴(kuò)展和驟然收縮。
? 進(jìn)、出風(fēng)口盡量遠(yuǎn)離，防止氣流短路。
? 在機(jī)柜的面板、側(cè)板、后板沒有特別要求一般不要開通風(fēng)孔，防止氣流短路。
圖1系統(tǒng)布局要點(diǎn)示意圖
? 為避免上游的熱量回流到下游，影響其散熱，可以采用獨(dú)立風(fēng)道，分開散熱。
? 風(fēng)道設(shè)計(jì)應(yīng)保證系統(tǒng)各個(gè)區(qū)域散熱均勻，避免在回流區(qū)和低速區(qū)產(chǎn)生熱點(diǎn)。
? 并聯(lián)風(fēng)道應(yīng)根據(jù)各風(fēng)道散熱量的要求分配風(fēng)量, 避免風(fēng)道阻力不合理布局。
? 要避免風(fēng)道的高低壓區(qū)的短路。
? 最大損耗的元器件應(yīng)靠近出風(fēng)口。
? 保證進(jìn)、出風(fēng)口面積大于風(fēng)扇的通風(fēng)面積。
? 保證空氣流通并能夠以較大的風(fēng)速流過較熱的區(qū)域。
? 避免在兩個(gè)熱點(diǎn)之間用一個(gè)小風(fēng)扇來冷卻。
? 溫度敏感的元器件應(yīng)盡量靠近風(fēng)扇入口。
? 盡可能采用吹風(fēng)以防止灰塵聚積。
? 盡可能采用空隙率較大的防塵網(wǎng)以減小阻力。
? 高熱器件的位置要求
如果不能消除SWIRL的影響，即無法保證流出風(fēng)扇框的流場(chǎng)是近似均勻的流場(chǎng)，則必須避免布置高熱器件在流場(chǎng)的旋渦區(qū)域，因?yàn)樵搮^(qū)域風(fēng)速最小。
5.3.1.2一些典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)
5.3.2 系統(tǒng)通風(fēng)面積的計(jì)算
通風(fēng)口的面積大小應(yīng)為： S＝(1.5-2.0)(N³S模塊)………………(1)
S模塊---系統(tǒng)通風(fēng)面積 ，m2
N---每層模塊的總數(shù)
S模塊---每一個(gè)模塊的通風(fēng)面積, m2
5.3.3 系統(tǒng)前門及防塵網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)散熱的影響
如果前門的進(jìn)風(fēng)口位置滿足要求，并且進(jìn)風(fēng)面積足夠，一般來講，開門與關(guān)門有約2-5℃差異。
如果需在系統(tǒng)上加防塵網(wǎng)，即使采用粗效的防塵網(wǎng)，也將帶來5-10℃的差異。
5.4 模塊級(jí)的熱設(shè)計(jì)
5.4.1 模塊損耗的計(jì)算方法
模塊的損耗可由下式計(jì)算.
Pdiss=(1/η-1)Pout………………………………………(2)
Pdiss -- 模塊的損耗,W
Pout--模塊的輸出功率,W
η--模塊的效率
功率損耗Pdiss是由于發(fā)熱器件的發(fā)熱而引起的，這些發(fā)熱器件包括開關(guān)管（MOSFET，IGBT），整流管（整流二極管及FRED），濾波電感，變壓器以及開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)等。
5.4.2 機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)
5.4.2.1 機(jī)箱的選材
如果需利用模塊的機(jī)箱作為散熱器，則模塊機(jī)箱必須選用鋁合金材料，且模塊內(nèi)壁不得進(jìn)行拉絲處理，材料的厚度不得低于1.5mm。
如果不利用機(jī)箱進(jìn)行散熱，則模塊機(jī)箱選材不受限制。
5.4.2.2 模塊的通風(fēng)面積
5.4.2.2.1風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積
無論是抽風(fēng)還是吹風(fēng)方式，安裝風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積即為風(fēng)扇的流通面積，按下式計(jì)算：
S＝K³0.785(Dout2-DHUB2) ……………………………(3)
S-風(fēng)扇側(cè)機(jī)箱的通風(fēng)面積，m2
k-冗余系數(shù)，取1.1-1.2
Dout －風(fēng)扇框的內(nèi)直徑，m
DHUB －風(fēng)扇中心HUB的直徑，m
5.4.2.2.2 非風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積
如果抽風(fēng)風(fēng)扇，非風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積大于等于風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積 。
如果吹風(fēng)風(fēng)扇，考慮到空氣受熱體積膨脹的因素，非風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積=(1.5-2.0)³風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積 。
5.4.2.3 機(jī)箱的表面處理
從熱設(shè)計(jì)角度，無論機(jī)箱還是散熱器，不推薦表面進(jìn)行任何處理，額外的表面處理對(duì)散熱貢獻(xiàn)較小，卻增加了產(chǎn)品成本。
5.5 單板級(jí)的熱設(shè)計(jì)
5.5.1 選擇功率器件時(shí)的熱設(shè)計(jì)原則
5.5.1.1 在其它性能參數(shù)相同的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用允許結(jié)溫Tj高的功率器件（根據(jù)供應(yīng)商手冊(cè)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選）。
5.5.1.2 在其它性能參數(shù)相同的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用結(jié)殼熱阻Rjc較小的功率器件(根據(jù)供應(yīng)商手冊(cè)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選)。
5.5.1.3 在其它性能參數(shù)相同的情況下，優(yōu)先選用封裝尺寸較大的功率器件(根據(jù)供應(yīng)商手冊(cè)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選)，以減小器件與散熱器間的接觸熱阻Rcs。
5.5.1.4 對(duì)于MOSFET器件,在結(jié)殼熱阻Rjc相近的條件下，應(yīng)優(yōu)先選用25℃下RD(ON)較小的器件。
5.5.1.5 對(duì)于IGBT器件，在結(jié)殼熱阻Rjc相近的條件下，應(yīng)優(yōu)先選用相同門極電阻下開關(guān)能量較小的器件。
5.5.2 元器件布局的熱設(shè)計(jì)原則
5.5.2.1 一般性原則，如圖3所示
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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