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)境和對體積、重量及壽命的更高要求使得散熱問題更加嚴峻,這都使得電力電子器件的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計問題俞顯突出。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、強迫風冷散熱器的熱阻計算方法、散熱器瞬態(tài)溫度的計算方法和高功率密度電力電子器件強迫風冷散熱的熱結(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,重點定量計算了導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)、基板導(dǎo)熱系數(shù)、基板厚度和對流傳熱系數(shù)對MCM最高結(jié)溫的影響,應(yīng)用響應(yīng)面回歸方程對MCM進行熱優(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)計提供了一種更簡單快速的方法。通過研究電子設(shè)備強迫風冷散熱系統(tǒng)設(shè)計中風扇與散熱器的設(shè)計方法和選取依據(jù),總結(jié)了強迫風冷散熱系統(tǒng)的一般設(shè)計方法。散熱器熱阻是表征散熱器散熱能力的最關(guān)鍵參數(shù),提出了強迫風冷散熱器的熱阻等效電路計算方法,為后文以散熱器熱阻最小化為目標函數(shù)的散熱器熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。針對電力電子器件實際工作可能處于周期開關(guān)或各工況切換等非穩(wěn)態(tài)的問題,本文基于能量守恒原理建立了強迫風冷散熱系統(tǒng)的瞬態(tài)熱分析模型,得出了散熱器溫升及冷卻過程動態(tài)溫度的計算方法。基于此提出了散熱器表面器件總功耗保持不變,布局改變后散熱器表面溫度的瞬態(tài)計算方法,并提出了對應(yīng)的等效散熱器設(shè)計方法。瞬態(tài)熱分析使得散熱系統(tǒng)的設(shè)計更合理全面。本文通過分析散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對其散熱能力的影響,以散熱器的熱阻、壓降和重量為目標函數(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研究了熱傳導(dǎo)和壓降引起的散熱系統(tǒng)熱力學損失,并對散熱器的肋片參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。該優(yōu)化方法便于強迫風冷散熱系統(tǒng)的熱機械設(shè)計。在熱優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)上提出了合理設(shè)計散熱開孔形狀和采用風罩的熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,該方法可使散熱系統(tǒng)中散熱器的溫升進一步降低,散熱效果進一步提高。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,在器件實際封裝過程中可指導(dǎo)最優(yōu)設(shè)計參數(shù)和工藝的選擇,以降低其最高結(jié)溫,為系統(tǒng)級的散熱設(shè)計奠定基礎(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 熱阻計算 瞬態(tài)熱分析 熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化 總熵產(chǎn)最小化
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析17-31
• 1.2.1 MCM熱優(yōu)化設(shè)計研究現(xiàn)狀21-23
• 1.2.2 電力電子設(shè)備強迫風冷散熱的研究現(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 主要研究內(nèi)容31-33
• 第2章 多芯片組件的響應(yīng)面熱優(yōu)化設(shè)計方法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算方法51-79
• 3.1 引言51
• 3.2 強迫風冷散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱設(shè)計51-65
• 3.2.1 電力電子器件的損耗分析52-61
• 3.2.2 系統(tǒng)所需總風量計算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 強迫風冷散熱器的熱阻等效電路計算方法65-70
• 3.3.1 散熱器熱阻計算方法65-67
• 3.3.2 實例研究67-70
• 3.4 仿真分析70-76
• 3.5 實驗驗證76-78
• 3.6 本章小結(jié)78-79
• 第4章 強迫風冷散熱系統(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)計算方法79-80
• 4.3 電子負載設(shè)備散熱器瞬態(tài)熱性能的實例計算80-84
• 4.4 散熱器表面器件功耗布局相同、功耗值不同時的瞬態(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算方法的驗證84-88
• 4.4.2 電子負載設(shè)備過流工況條件的驗證88-89
• 4.5 器件總功耗相同、功耗布局不同時散熱器的瞬態(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93-95
• 4.6 本章小結(jié)95-96
• 第5章 強迫風冷散熱系統(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 散熱器的多目標熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化104-106
• 5.4 基于熵產(chǎn)最小化的強迫風冷散熱器熱-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 采用遺傳算法的強迫風冷散熱器優(yōu)化108
• 5.4.4 強迫風冷散熱器的遺傳算法優(yōu)化實例108-110
• 5.4.5 集成遺傳算法和總熵產(chǎn)最小化的強迫風冷散熱器優(yōu)化110-113
• 5.5 對散熱器優(yōu)化設(shè)計的仿真分析113-114
• 5.6 電子設(shè)備的熱-機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化114-122
• 5.6.1 散熱器材料對IGBT溫升的影響116-117
• 5.6.2 電子負載設(shè)備散熱開孔方法研究117-119
• 5.6.3 機柜縫隙對散熱的影響規(guī)律119-122
• 5.7 本章小結(jié)122-123
• 結(jié)論123-125
• 參考文獻125-136
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果136-138
• 致謝138-139
• 個人簡歷139

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 ;2012年第12期“新型電力電子器件”專輯征文啟事[J];電力電子技術(shù);2012年03期

2 ;2012年第12期“新型電力電子器件專輯”[J];電力電子技術(shù);2012年08期

3 ;2012年第12期“新型電力電子器件”專輯征文啟事[J];電力電子技術(shù);2012年06期

4 ;2012年第12期“新型電力電子器件”專輯征文啟事[J];電力電子技術(shù);2012年07期

5 Narain G.Hingorani ,李志晨;電力電子器件在未來電力系統(tǒng)中的作用[J];微電子學;1989年03期

6 唐蘇亞;電力電子器件的現(xiàn)狀及將來動向[J];微電機(伺服技術(shù));2000年05期

7 ;中國電力電子器件技術(shù)水準與國外比較[J];電源技術(shù)應(yīng)用;2001年05期

8 佘致廷 ,李軍軍;電力電子器件的技術(shù)發(fā)展規(guī)律初探[J];建設(shè)機械技術(shù)與管理;2002年09期

9 李現(xiàn)兵,師宇杰,王廣州,黃娟;現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展與現(xiàn)狀[J];世界電子元器件;2005年05期

10 谷海紅;張珊靚;;電力電子器件的分析與應(yīng)用[J];電氣開關(guān);2006年06期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前5條

1 肖向鋒;;制造電力電子器件的新型關(guān)鍵電子材料[A];2010中國電子信息材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇論文集[C];2010年

2 陳治明;;碳化硅電力電子器件研發(fā)進展與存在問題[A];中國電工技術(shù)學會電力電子學會第八屆學術(shù)年會論文集[C];2002年

3 ;常州瑞華電力電子器件有限公司概況[A];2008中國電工技術(shù)學會電力電子學會第十一屆學術(shù)年會論文摘要集[C];2008年

4 祁春清;梁中華;;電力電子器件故障診斷的灰色理論方法探討[A];全面建設(shè)小康社會：中國科技工作者的歷史責任——中國科協(xié)2003年學術(shù)年會論文集（上）[C];2003年

5 莊留杰;;現(xiàn)代電力電子器件和PWM控制技術(shù)[A];2006年電氣工程教育專業(yè)委員會年會論文集[C];2006年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 CCID微電子研究所;電力電子器件業(yè)向往高端[N];中國電子報;2002年

2 本報記者 翼青;新政策力挺電力電子器件行業(yè)產(chǎn)業(yè)化[N];機電商報;2007年

3 本報記者 段心鑫;電力電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展看好[N];中國工業(yè)報;2007年

4 劉國友;高端電力電子器件依賴進口我國企業(yè)需加快突圍[N];中國電子報;2008年

5 遼寧工學院 陳永真;電力電子器件技術(shù)發(fā)展重點[N];中國電子報;2004年

6 記者 徐陽　王立新;新型電力電子器件生產(chǎn)基地開工[N];吉林日報;2011年

7 祖強;淺談碳化硅電力電子器件[N];中國電子報;2003年

8 尉紅旗;電力電子行業(yè)今年將打通四個重要關(guān)節(jié)[N];中國工業(yè)報;2005年

9 證券時報記者 劉征;中國南車攜手中科院建設(shè)“綠色中國芯”電力電子器件[N];證券時報;2011年

10 才立;目標：讓產(chǎn)品成為行業(yè)最高標準[N];無錫日報;2009年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 張健;電力電子器件及其裝置的散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

2 趙勝雷;氮化鎵基半導(dǎo)體電力電子器件擊穿機理研究[D];西安電子科技大學;2015年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 包明冬;機車電力電子器件用散熱器熱力性能數(shù)值仿真[D];大連交通大學;2012年

，

本文編號：832243