發(fā)布時(shí)間：2017-09-11 18:05

  本文關(guān)鍵詞：電力電子器件及其裝置的散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

  更多相關(guān)文章： 電力電子器件 響應(yīng)面方法 熱阻計(jì)算 瞬態(tài)熱分析 熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化 總熵產(chǎn)最小化

【摘要】：隨著對(duì)航天科技水平要求的不斷提高,高可靠性、高功率密度的航天電源技術(shù)成為了備受矚目的關(guān)鍵技術(shù)。作為電源系統(tǒng)的核心器件—電力電子器件及裝置,必須向小型化和輕量化發(fā)展。而電源系統(tǒng)的特殊工作環(huán)境和對(duì)體積、重量及壽命的更高要求使得散熱問(wèn)題更加嚴(yán)峻,這都使得電力電子器件的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題俞顯突出。因此,電子設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究成為關(guān)鍵技術(shù)中的核心技術(shù)。本文主要深入研究了多芯片模塊(MCM,Multi-Chip Module)散熱影響因素的熱優(yōu)化方法、強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的熱阻計(jì)算方法、散熱器瞬態(tài)溫度的計(jì)算方法和高功率密度電力電子器件強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱的熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。首先采用有限元方法分析MCM散熱的主要影響因素,基于響應(yīng)面方法提出了MCM結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性與芯片最高結(jié)溫間關(guān)系的回歸方程,重點(diǎn)定量計(jì)算了導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)、基板導(dǎo)熱系數(shù)、基板厚度和對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)MCM最高結(jié)溫的影響,應(yīng)用響應(yīng)面回歸方程對(duì)MCM進(jìn)行熱優(yōu)化研究,并仿真分析了熱優(yōu)化后MCM的熱應(yīng)力分布。該回歸方程為MCM初期熱設(shè)計(jì)提供了一種更簡(jiǎn)單快速的方法。通過(guò)研究電子設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中風(fēng)扇與散熱器的設(shè)計(jì)方法和選取依據(jù),總結(jié)了強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法。散熱器熱阻是表征散熱器散熱能力的最關(guān)鍵參數(shù),提出了強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的熱阻等效電路計(jì)算方法,為后文以散熱器熱阻最小化為目標(biāo)函數(shù)的散熱器熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)電力電子器件實(shí)際工作可能處于周期開(kāi)關(guān)或各工況切換等非穩(wěn)態(tài)的問(wèn)題,本文基于能量守恒原理建立了強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的瞬態(tài)熱分析模型,得出了散熱器溫升及冷卻過(guò)程動(dòng)態(tài)溫度的計(jì)算方法�；诖颂岢隽松崞鞅砻嫫骷偣谋３植蛔�,布局改變后散熱器表面溫度的瞬態(tài)計(jì)算方法,并提出了對(duì)應(yīng)的等效散熱器設(shè)計(jì)方法。瞬態(tài)熱分析使得散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更合理全面。本文通過(guò)分析散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其散熱能力的影響,以散熱器的熱阻、壓降和重量為目標(biāo)函數(shù)研究了散熱器的熱優(yōu)化程序�；陟禺a(chǎn)最小化原理采用遺傳算法同時(shí)研究了熱傳導(dǎo)和壓降引起的散熱系統(tǒng)熱力學(xué)損失,并對(duì)散熱器的肋片參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該優(yōu)化方法便于強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的熱機(jī)械設(shè)計(jì)。在熱優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提出了合理設(shè)計(jì)散熱開(kāi)孔形狀和采用風(fēng)罩的熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,該方法可使散熱系統(tǒng)中散熱器的溫升進(jìn)一步降低,散熱效果進(jìn)一步提高。電力電子器件內(nèi)部以MCM為例的響應(yīng)面散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化,在器件實(shí)際封裝過(guò)程中可指導(dǎo)最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝的選擇,以降低其最高結(jié)溫,為系統(tǒng)級(jí)的散熱設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。電力電子器件外部基于總熵產(chǎn)最小化原理的散熱系統(tǒng)優(yōu)化研究,一方面降低器件結(jié)溫,提高器件性能和可靠性。另一方面可減小散熱系統(tǒng)的體積或重量,為電子設(shè)備小型化和輕量化提供思路和方法。
【關(guān)鍵詞】：電力電子器件 響應(yīng)面方法 熱阻計(jì)算 瞬態(tài)熱分析 熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化 總熵產(chǎn)最小化
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK172;TN02
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 緒論14-33
• 1.1 課題背景及研究意義14-17
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析17-31
• 1.2.1 MCM熱優(yōu)化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀21-23
• 1.2.2 電力電子設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱的研究現(xiàn)狀23-29
• 1.2.3 散熱器瞬態(tài)熱分析研究現(xiàn)狀29-31
• 1.3 主要研究?jī)?nèi)容31-33
• 第2章 多芯片組件的響應(yīng)面熱優(yōu)化設(shè)計(jì)方法33-51
• 2.1 引言33
• 2.2 多芯片組件的穩(wěn)態(tài)熱模型33-34
• 2.3 多芯片組件的三維溫度場(chǎng)研究34-39
• 2.4 影響MCM最高結(jié)溫的因素及熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究39-47
• 2.4.1 MCM最高結(jié)溫的影響因素研究39-41
• 2.4.2 響應(yīng)面方法的基本原理41-42
• 2.4.3 MCM熱結(jié)構(gòu)參數(shù)響應(yīng)面優(yōu)化模型的建立42-44
• 2.4.4 響應(yīng)面優(yōu)化模型的仿真驗(yàn)證44-47
• 2.5 熱優(yōu)化后MCM的熱應(yīng)力分析47-50
• 2.6 本章小結(jié)50-51
• 第3章 基于熱阻等效電路的散熱器熱阻計(jì)算方法51-79
• 3.1 引言51
• 3.2 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱設(shè)計(jì)51-65
• 3.2.1 電力電子器件的損耗分析52-61
• 3.2.2 系統(tǒng)所需總風(fēng)量計(jì)算61
• 3.2.3 散熱系統(tǒng)特性曲線確定61-63
• 3.2.4 電力電子器件結(jié)溫校核63-65
• 3.3 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的熱阻等效電路計(jì)算方法65-70
• 3.3.1 散熱器熱阻計(jì)算方法65-67
• 3.3.2 實(shí)例研究67-70
• 3.4 仿真分析70-76
• 3.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證76-78
• 3.6 本章小結(jié)78-79
• 第4章 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的瞬態(tài)熱響應(yīng)特性研究79-96
• 4.1 引言79
• 4.2 散熱器表面溫度的瞬態(tài)計(jì)算方法79-80
• 4.3 電子負(fù)載設(shè)備散熱器瞬態(tài)熱性能的實(shí)例計(jì)算80-84
• 4.4 散熱器表面器件功耗布局相同、功耗值不同時(shí)的瞬態(tài)分析84-89
• 4.4.1 散熱器表面器件功耗值改變后其表面溫度計(jì)算方法的驗(yàn)證84-88
• 4.4.2 電子負(fù)載設(shè)備過(guò)流工況條件的驗(yàn)證88-89
• 4.5 器件總功耗相同、功耗布局不同時(shí)散熱器的瞬態(tài)熱性能89-95
• 4.5.1 器件總功耗不變，功耗布局改變后其瞬態(tài)溫度的計(jì)算方法89-93
• 4.5.2 器件功耗布局改變后散熱器的等效設(shè)計(jì)93-95
• 4.6 本章小結(jié)95-96
• 第5章 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化96-123
• 5.1 引言96
• 5.2 散熱系統(tǒng)散熱性能的影響參數(shù)96-104
• 5.3 散熱器的多目標(biāo)熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化104-106
• 5.4 基于熵產(chǎn)最小化的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化106-113
• 5.4.1 遺傳算法原理106-107
• 5.4.2 總熵產(chǎn)最小化原理107-108
• 5.4.3 采用遺傳算法的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器優(yōu)化108
• 5.4.4 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的遺傳算法優(yōu)化實(shí)例108-110
• 5.4.5 集成遺傳算法和總熵產(chǎn)最小化的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器優(yōu)化110-113
• 5.5 對(duì)散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真分析113-114
• 5.6 電子設(shè)備的熱-機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化114-122
• 5.6.1 散熱器材料對(duì)IGBT溫升的影響116-117
• 5.6.2 電子負(fù)載設(shè)備散熱開(kāi)孔方法研究117-119
• 5.6.3 機(jī)柜縫隙對(duì)散熱的影響規(guī)律119-122
• 5.7 本章小結(jié)122-123
• 結(jié)論123-125
• 參考文獻(xiàn)125-136
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果136-138
• 致謝138-139
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷139

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