2 热设计的基础知识
2.1基本术语
2.1.1 热环境
设备或元器件的表面温度、外形及黑度，周围流体的种类、温度、压力及速度，每一个元器件的传热通路等情况
2.1.2 热特性
设备或元器件温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。
2.1.3 热阻
热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W，可分为导热热阻，对流热阻，辐射热阻及接触热阻四类
（热扩展效应）
2.1.4 导热系数
表征材料导热性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量，单位为W/m.K或W/m.℃
2.1.5 对流换热系数
反映两种介质间对流换热过程的强弱，表明当流体与壁面的温差为1 ℃时，在单位时间通过单位面积的热量，单位为W/m2.K或W/m2.℃
2.1.6 流阻
反映流体流过某一通道时所产生的压力差。单位帕斯卡或mm.H2O或巴
2.1.7 定性温度
确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度
2.1.8 肋片的效率
表示某一扩展表面单位面积所能传递的热量与在同样条件下光壁所能传递的热量之比
2.1.9 黑度
实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，它取决于物体种类、表
面状况、表面温度及表面颜色。
2.1.10 雷诺数Re(Reynlods)
雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的相对大小，雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。
2.1.11普朗特数Pr(Prandtl)
普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。
2.1.12 格拉晓夫数Gr(Grashof)
格拉晓夫数反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小，是说明自然对流换热强度的一个相似准则，Gr越大，表面流体所受的浮升力越大，流体的自然对流能力越强。
2.1.13 努谢尔特数Nu(Nusseltl)
反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱，是一个说明对流换热强弱的相似准则。
2.1.14 传热单元数NTU
为无因次量，其数值反映了在给定条件下所需传热面积的大小，是一个反映冷板散热器综合技术经济性能的指标。
2.1.15 冷板的传热有效度E
衡量冷板散热器在传递热量方面接近于理想传热状况的程度，它定义为冷板散热器的实际传热量和理论传热量之比，为无因次量。
2.1.16 通风机的特性曲线
指通风机在某一固定转速下工作，静压、效率和功率随风量变化的关系曲线。当风机的出风口完全被睹住时，风量为零，静压最高；当风机不与任何风道连接时，其静压为零，而风量达到增大。
2.1.17 系统的阻力特性曲线
系统(或风道)的阻力特性曲线：是指流体流过风道所产生的压力随空气流量变化的关系曲线，与流量的平方成正比。
2.1.18 通风机工作点
系统(风道)的特性曲线与风机的静压曲线曲线的交点就是风机的工作点。
2.2 几种容易混淆的概念
2.2.1温度与温升的区别
温度是量化介质热性能的一个指标，是一个绝对概念；
温升是指介质自身或介质间温度的变化范围，它总是相对于不同时刻或同一时刻的另一介质，是一个相对概念。
2.2.2 层流与紊流(湍流)
层流指流体呈有规则的、有序的流动，换热系数小，流动阻力小； 紊流指流体呈无规则、相互混杂的流动，换热系数大，流动阻力大 12.2.5 风道的局部阻力与沿程阻力
局部阻力指由于风道的截面积发生变化而引起的压力损失；
沿程阻力指由于流体粘性而引起的压力损失
2.2.4 表征温度的方式
表征介质温度的方式有三种：摄氏温度，绝对温度，华氏温度，它们的换算关系如下： TK＝273＋Tc, Tc=5(TF-32)/9
2.3 热量传递的基本方式及传热方程式
热量传递有三种方式：导热、对流和辐射，它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现
2.3.1导热的基本方程：
Q＝λF导 △t=△t/R导 .......................................................(1) λ---- 导热系数，W/m.K或W/m.℃; F导--- 导热面
积，m2
△T---- 温差，℃; R
导----- 导热热阻, ℃/W
2.3.2 对流的基本方程：
Q＝αF对△t=△t/R对.......................................................(2)
α---- 对流换热系数，W/m2.K或W/m2.℃; F对--- 有效对
流换热面积，m2
△T---- 温差，℃; R对流----- 对流
热阻, ℃/W
2.3.3 辐射的基本方程：
Q＝5.67×10-8ε
ε1212f12F辐射(T14-T24).......................................(3) 12---- 系统黑度，ε＝1/(1/ε1+1/ε2-1)
ε1，ε2----分别为物体1和物体2的黑度; f12------ 角
系数
F辐射 ---物体的辐射面积，m2; T1, T2--分别为物体1和物体2
的绝对温度，K
2.4 热电模拟
热电模拟法是用电气工程师熟悉的电路网络表示方法来处理热设计问题，将热流量(功耗)模拟成电流；温差模拟成电压(或电位差)；热阻模拟成电阻，热导模拟成电导；热容模拟成电容。
温度(温差) 是引起热流量传递的“电位”；恒温热源等效于理想的恒压源；恒定的热流源等效于理想的电流源。热沉等效于“接地”或“地线”，所有的热源和热回路均与其相连，形成热电模拟网络，导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。
热路的串联与并联等效于电路的串联与并联，串联的热阻为个部分热阻之和，并联的热阻的倒数等于各部分热阻的倒数之和。
2.5 热网络法
为了能够对多种传热方式及多种传热路径进行热计算，我们把导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理，列出不同节点间的传热方程，求解联立方程组，即可得出各节点的结温，对比较复杂的情况，需利用计算机进行求解。
3 产品的热设计指标［1］［2］［8］
3.1 散热器的表面温度最高处的温升在环境温度最大为40℃的条件下，应小于45℃.
3.2 模块内部空气的温升应小于15℃。
3.3 元器件的热设计指标［1］［2］［8］
元器件的热设计指标应符合《元器件降额规范》，具体指标如下：
3.3.1 功率器件的工作结温应小于最大结温的(0.5-0.8)倍
对额定结温为175℃的功率器件, 工作结温小于140℃.
对额定结温为150℃的功率器件, 工作结温小于120℃.
对额定结温为125℃的功率器件, 工作结温小于100℃.
3.3.2 碳膜电阻 120℃
金属膜电阻 100℃
印刷电阻 85℃
0 压制线绕电阻 150℃
涂剥线绕电阻 225 ℃
3.3.3 变压器、扼流圈表面温度
A级 90 ℃
B级 110 ℃
3.3.4 电容器的表面温度
纸质电容器 75-85
电解电容器 65-80
薄膜电容器 75-85
云母电容器 75-85
陶瓷电容器 75-85
4 热设计的基本步骤
4.1 熟悉公司的《电子设备自然冷却热设计规范》和 《电子设备的强迫风冷热设计规范》，确定设备或元器件的散热面积、散热器或冷却剂的最高和最低环境温度范围；
4.2 确定可以利用的冷却技术和限制条件，允许采用哪些冷却技术？冷却介质的温度、压力和流量各为多少？
4.3 根据《元器件降额规范》确定每一个元器件的最高允许温度(结温或表面温度)，确定每个发热元器件的功耗；
4.4 对功率器件，须根据供应商提供元器件的内热阻，确定元器件的最高壳温；
4.5 计算元器件表面的热流密度
4.6 根据元器件表面热流密度的大小确定是否加装散热器？
4.7 确定元器件至散热器表面或环境的总热阻；
4.8 合理分配热路的热阻，根据结构布局确定器件是直接贴在散热器表面还是提供引线排引到散热器？
4.9根据散热器的热阻值选择或设计散热器，确定自冷还是风冷？
4.10 如采用风冷，根据结构布局，设计风路；
4.11 根据风路特点及风量选择风扇
4.12 估算冷却方案的成本，研究其它冷却方案，进行对比，以便找到最佳方案；
4.13 根据规范内容进行具体的热设计；
4.14 热设计的同时，还应考虑可靠性、安全性、维修性及电磁兼容性设计。 5 电源系统(机柜)的热设计
5.1模块及机柜均为自冷
5.1.1热设计要点
5.1.1 机柜的后门(面板)不须开通风口；
5.1.2 底部或侧面不能漏风；
5.1.3 应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间;
5.1.4 机柜上部的监控及配电不能阻塞风道，应保证上下具有大致相等的空间；
5.1.5 对散热器采用直齿的结构,模块放在机柜机架上后,应保证散热器垂直放置,即齿槽
应垂直于水平面。对散热器采用斜齿的结构,除每个模块机箱前面板应开通风口外,在机柜的前面板也应开通风口。
5.1.2当电源系统容量较小时, 可采用结构较为简单的系统无风道结构,如图2所示，在两层模块之间开进风口；当通信电源系统容量较大时,可采用系统带风道结构,如图1所示，即层与层之间设置有隔板，以避免下层模块对上层模块的影响。
5.1.3 通风口面积计算
5.1.3.1进风口面积的计算
在机柜的前面板上开各种形式的通风孔或百叶窗，以增加空气对流，进风口的面积大小按下式计算：
Sin=Q/(7.4×10-5H×Δt1.5) ［2］.......................................................(4)
s-通风口面积的大小，cm2
Q-机柜内总的散热量，W
H-机柜的高度，cm，约模块高度的1.5-1.8倍，
Δt=t2-t1--内部空气温度t2与外部空气温度 t1 之差 ， ℃
5.1.3.2 出风口面积的计算
由于其它受热后膨胀，出风口得的面积应大于进风口的面积，一般情况下： Sout=(1.5-2.0)Sin
5.2模块风冷，机柜自冷
5.2.1采用直齿型散热器，且散热器水平放置
在后面板(后门)上与模块层对应的位置开通风口，通风口的面积大小应为：
S＝(1.5-2.0)(N×S模块)［2］.........................................(5) N---每层模块的总数
S模块---每一个模块的进风面积
5.2.2如采用斜齿散热器，后面板也可以不开孔
6 模块的热设计
6.1 机箱的热设计
6.1.1模块内部空气温升的估算
6.1.1.1 对密封机箱
WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4ζεTmΔT
6.1.1.2 对通风机箱
WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4ζεTmΔt+1000uAΔT ［3］.......(7) WT -模块的耗散功率，W
Ss－机箱侧面内壁的有效面积，m2
St 朹机箱顶部面积，m2
Sb-机箱的底面积，m2 ［3］..................(6)
Δt-风道进出口温差，℃
ζ－斯－波尔兹曼常数，为5.67×10-8W/m2.K
ε-辐射系数
Tm＝（T+Ta）/2
T-机箱的表面温度，K
Ta－环境温度，K
u- 自然风速，一般取0.1-0.2m/s
A-机箱的进风面积，m2
6.1.1.3 对强迫通风机箱
WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4ζεTmΔt+1000QfΔT
［3］....................(8)
Qf-风量，m3/s
6.1.2 对强迫风量机箱，如果所计算出的风量非常小，则表明不必采用强制风冷通风机箱，只需采用自然散热通风机箱。
6.1.3 机箱的热设计还需考虑风路的特点、气流的分配和控制、空气进出口障碍物的影响、风扇与通风口的距离、通风口的设计、空气过滤器的采用与否、噪声的抑制及风扇制动的影响等。
6.2 选择功率器件时的热设计
6.2.1 在其它性能参数相同的情况下，应优先选用允许结温Tj高的功率器件（根据供应商手册提供的数据进行筛选）；
6.2.2 在其它性能参数相同的情况下，应优先选用结壳热阻Rjc较小的功率器件(根据供应商手册提供的数据进行筛选）；
6.2.3 在其它性能参数相同的情况下，应优先选用传热面较大的功率器件(根据供应商手册提供的数据进行筛选）,以减小功率器件与散热器间的接触热阻Rcs；
6.2.4 对于MOSFET器件,在的结壳热阻RJC相近的条件下,应优先选用25℃下RD(ON)较小的器件.
6.2.5 对于IGBT器件, 在的结壳热阻RJC相近的条件下,应优先选用相同门极电阻下开关能量较小的器件.
6.3元器件布局时的热设计
6.3.1电阻的散热一般是通过固定连接片或引线两端的传导以及本身的辐射，对流进行散热的，所以电阻表面应涂覆无光泽的粗糙漆，放置位置应便于对流散热并加大与其它元件之间的距离。
6.3.2 对不加屏蔽罩的变压器，铁芯与支架、支架与固定面之间应有良好的接触， 以使其接触热阻最低; 对带屏蔽罩的变压器，外罩必须与固定面良好接触，把变压器的固定面用支架垫高，并在底板上开通风口，以形成气流对流
6.3.3 自然对流条件下，在布置元器件时，元器件与元器件之间，元器件与结构件
6.3.3.1 对相邻的两垂直发热表面，d/L=0.25，如图1-(a)所示;
6.3.3.2 对相邻的垂直发热表面与冷表面间距,dmin=2.5mm, 如图1-(b)所示;
6.3.3.3.对邻近的水平发热圆柱体和冷的上表面之间,d/D=0.85, 如图1-(c)所示; 06.3.3.4 对邻近的水平发热圆柱体和冷的垂直表面之间,d/D=0.7, 如图1-(d)所示;
6.3.3.5 对邻近的水平发热圆柱体和冷的水平底面之间,d/D=0.65, 如图1-(e)所示;
6.3.3.6在PCB上安装各种元器件时，应将功率大、发热量大的元器件放在边沿和顶部，以利于散热;
6.3.3.7 在布置元器件时，应将不耐热的元件(如电解电容器)放在靠近进风口的位置，而将本身发热而又耐热的元件(如电阻,变压器等)放在靠近出风口的位置;
6.3.3.8在PCB上安装各种元器件时，应将功率大、发热量大的元器件放在出风口的位置。
6.3.3.9对热敏感元件，在结构上应采用“热屏蔽”方法解决。
6.4 元器件的安装
元器件的安装应尽量减少元器件壳与散热器表面间的热阻，即接触热阻。 之间应保持一定距离，以利于空气流动，增强对流换热;
6.4.1为尽量减小传导热阻，应采用短通路，即尽可能避免采用导热板或散热块把元器件的热量引到散热器表面，而元器件直接贴在散热器表面则是最经济、最可靠、最有效的散热措施。
6.4.2 为了改善器件与散热器接触面的状况，应在接触面涂导热介质，常用的导热介质有导热脂、导热胶、导热硅油、热绝缘胶等。
6.4.3 对器件须与散热器绝缘的情况，采用的绝缘材料应同时具有良好的导热性能，且能够承受一定的压力而不被刺穿。常用绝缘垫片的导热系数如下表所示，其接触热阻的大小因使用条件不同（如紧固压力及接触面积等）而不同。
氧化铍由于有毒性，在美国及欧州已被禁止使用在元器件的生产中，所以推荐使用三氧化二铝和氮化铝陶瓷基片，但氮化铝陶瓷的价格较昂贵，为三氧化二铝陶瓷的（3－5）倍。
6.4.4把器件装配在散热器上时，应严格按照数据手册中提供的安装压力或力矩进行装配，压力不足会使接触热阻增加，压力过大会损坏器件。
6.4.5 将大功率混合微型电路芯片安装在比芯片面积大的钼片上。
6.4.6 对于多层印制线路板，应利用电镀通孔来减少通过线路板的传导热电阻。这些小孔就是热通路或称热道。
6.4.7 当利用接触界面导热时，采用下列措施使接触热阻减到最小。
6.4.7.1 尽可能增大接触面积；
6.4.7.2 确保接触表面平滑；
6.4.7.3 利用软材料接触；
6.4.7.4 扭紧所有螺栓以加大接触压力(注意不应残留过大应力)；
6.4.7.5 利用合理的紧固件设计来保证接触压力均匀；
6.5 印制板的热设计
印制板热设计的任务是有效地把印制板上的热引导到外部(散热器和大气中)。
6.5.1印制线的载流容量和温升
6.5.1.1 设计印制板时要保证印制线的载流容量，印制线的宽度必须适于电流的传导，不能引起超过允许的温升和压降。
6.5.1.2相邻印制线的问题也必须符合电气绝缘要求，不能因遇到潮湿条件及灰尘微
粒附到印制板表面而引起印制线短路或漏电。
6.5.2 印制板的散热
6.5.2.1 选用厚度大的印制线，以利于印制线的导热和自然对流散热。
6.5.2.2 减小元器件引线腿及元器件引线间的热阻，增强元器件引线腿对印制线的
热传导，增强导电性。
6.5.2.3 当元器件的发热密度超过0.6W/cm3，单靠元器件的引线腿及元器件本身不
足充分散热，应采用散热网、汇流条等措施。
6.5.2.4 若发热密度非常高，则元器件应安装散热器，在元器件和散热材料之间应
涂抹导热膏。
6.5.2.5 以上措施仍不能充分散热时，就应采用热传导性能好的印制板，如金属基
底印制板和陶瓷基底(高铝陶瓷、氧化砖陶瓷、冻石陶瓷)印制板。
6.6 安装PCB板时热设计
6.6.1 自然冷却条件下，对设备内有多块PCB板时，应与进风方向平行并列安装，每
块PCB板间的间距应大于30mm，以利于对流散热；对强迫风冷条件下，PCB板的间
距可以适当减小，但必须符合安规要求。
6.6.2 底板、隔热板、屏蔽板、印制板的位置应以不要阻碍或阻断气流为原则
6.7风路设计
6.7.1自然冷却
6.7.1.1功能单元(模块)布局应考虑机柜的风路设计要求, 对直齿型散热器, 应保
证散热器的齿槽垂直于水平面, 有利于形成“烟囱”效应;
6.7.1.2元器件应纵向排列,让元器件的长边与空气上升的方向平行；
6.7.1.3 机箱内元器件布置应较稀疏，有利于空气流通。
6.7.2 强迫风冷
6.7.2.1如果发热分布均匀， 元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源；
6.7.2.2如果发热分布不均匀，在发热量大的区域元器件应稀疏排列，而发热量小的
区域元器件布局应稍密些，或加导流条，以使风能有效的流到关键发热器件。
6.7.2.3 如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件，应在模块内部采用
阻流方法，使大部分的风量流入散热器。
6.7.2.4 进风口的结构设计原则：一方面尽量使其对气流的阻力最小，另一方面要考
虑防尘，需综合考虑二者的影响。
6.7.3 风道的设计原则
一些产品如变频器类一般都有专门的通风管道，正确地设计和安装风道对
散热效果有较大的影响，风道设计应注意下面几个问题：
6.7.3.1 风道尽可能短，缩短管道长度可以降低风道阻力；
6.7.3.2 尽可能采用直的锥形风道，直管加工容易，局部阻力小；
6.7.3.3 风道的截面尺寸和出口形状，风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致，以避
免因变换截面而增加阻力损失，截面形状可为园形，也可以是正方形或长方形；
6.8 确定冷却方法的原则
6.8.1冷却方法种类
常用的冷却方式有：自然冷却，强迫风冷，强迫液冷，蒸发冷却，热电致
冷，热管冷却，冷板技术。
6.8.2 选择冷却方法须考虑的因素
设备的热流密度，总损耗，能提供的散热表面积及体积，设备和元器件的
允许温度(温升)，环境条件等
6.8.3 确定冷却方法的原则
在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却，只有在自然冷却无法满足散热要
求时，才考虑其它冷却。
当冷却表面的热流密度为0.024-0.039W/cm2［5］，采用自然对流，上限适用
于通风条件较差的情况，下限适用于通风条件较畅的场合。
当冷却表面的热流密度为0.078W/cm2 ［5］，采用强迫风冷
6.9 功率器件的工作结温估算
在确知散热器的台面温度或散热器的热阻、器件的内热阻及器件与散热
器间的接触热阻的情况下，如何估算器件的工作结温呢？
如果已知道散热器台面温度Ts , 则器件的工作结温为：
Tj=Ts+ PT×Rth(j-s) .......................................................(9)
如果已知散热器的热阻，环境温度，则器件的工作结温为：
Tj=Ta+ PT×Rth(j-a).......................................................(10)
7 风机的选择
7.1风机的种类：通风机可分为轴流风机和离心风机两类
冷却 轴流风机：风量大，压头小，噪音小 离心式风机：风压较高，一般适应于阻力较大的发热元器件或机柜
7.2 选择风机需考虑的因素及原则
7.2.1需考虑的因素
风量、风压(静压)、效率、空气流速、风道阻力特性、应用的环境条件、
其中风量、风压是主要参数。
7.2.2 选择风机的原则
7.2.2.1当要求风量大，风压低时，采用轴流风机；
7.2.2.2当要求风压较大时，需采用离心风机;
7.2.2.3 风机类型确定以后，再根据工作点来选择具体的型号和尺寸。
7.3通风机的串联
当通风机的风量满足要求，而风压不够时，可采用两只通风机串联工作的方
式，以提高其工作能力。通风机串联时，其工作特性曲线发生变化：风量基本等于
每台风机的风量(略有增加)，而风压为相同风量下两台风机的风压之和。如下图所
示。
7.4 通风机的并联
当通风机的风压满足要求，而风量不够时，可采用两只通风机并联工作的方式，
以提高其工作能力。通风机并联时，其工作特性曲线发生变化：风压基本等于每台
风机的风压(略有增加)，而风量为个通风机风量之和。如下图所示。
8 选择散热器的步骤［6］
8.1 计算出各发热器件的损耗
8.2 计算出所需散热器的热阻
Rsa=(Tj-Ta)/P-Rcs-Rjc .......................................................(11)
Tj--器件结温(℃)，可从器件的数据手册中查找。
Ta--环境温度(℃) Rcs--接触热阻，从器件数据手册中查找(℃/W)
Rjc--器件结壳热阻，从器件数据手册查找(℃/W)
P--器件最大耗散功率
8.3 确定冷却方式
8.4 根据Rsa及散热器的体积要求查找相应的散热器样本，选择合适的散热器;
8.5 如选择风冷方式，确定风速(风量)大小
8.7 如果散热器样本中找不出合适的散热器，需自行设计时，先根据经验设计出一
个初步的形状，再进行计算校核，如计算结果大于所需的热阻值，须重新进行设计，
再进行计算校核，直到满足要求为止。
9 散热器的设计原则［7］
进行散热器设计或校核时应遵循以下原则：
9.1 通用散热器的选择及设计原则
9.1.1材质的选择
散热器材料应具有较高的导热系数，一般推荐使用
浇铸或压铸散热器： 纯铝 λ=210W/m.k
铝型材散热器：6063（LD31） λ=180W/m.k
特殊条件下： 紫铜T2 λ=380W/m.k
9.1.2 散热器的各项技术指标应符合 ＧＢ１１４５６－８９《电力半导体器件型材
散热器技术条件》;
9.1.3 散热器安装器件的表面光洁度Ra
9.1.4 对型材散热器，肋片高=(3-5)倍肋间距的设计具有最优的性能价格比;
9.1.5 型材散热器的肋表面应加波纹齿，波纹齿高为0.3-0.5mm,宽为0.5-1mm,以增加
对流换热面积；
9.1.6 应保证散热器具有一定的基板厚度，推荐5-10mm之间；而对工作在间歇式方
式下的散热器，基板的大小应充分考虑散热器的瞬态热阻，具体情况具体设计。
9.1.7 对只安装一个器件在散热器的中央，散热器的长度应为截面宽度的1.5-2倍；
9.1.8 当散热器流向长度大于300mm以上，应把散热器的肋片从中间断开，以增加
流体扰动，提高对流换热系数。
9.1.9 对自然对流条件下，散热器的齿间距应大于12mm，以避免热边界层相互交叉。
9.2 冷板散热器的设计原则
9.2.1冷板散热器的定义：电子设备用的冷板是指一种单流体(空气、水或其它冷却
剂)的换热器。
9.2.2 冷板的特点
9.2.2.1 冷板的温度梯度小，热分布均匀，可带走较大的集中热载荷；
9.2.2.2 换热系数大，传热效率高；
9.2.2.3 单位条件的传热面积大，结构紧凑，体积小
9.2.2.4 基于冷板具有上述优点, 在功耗较大，且产品的空间(体积)及重量受限时，
须选用冷板。
9.3 冷板的组成
一般由封端、盖板、肋片及底版组成，各部分可采用真空钎焊、氩弧焊、
镶嵌等方法组装在一起。
9.4 冷板的材料
9.4.1 对真空钎焊成形方式
无强度要求 ：一般采用LY21
有强度要求： LD2(美国6061)
9.4 设计原则
9.4.1基板厚度一般为5－6mm；肋片的厚度为0.2-0.6mm，肋片间距0.5-5.0mm；当
换热系数大时，宜选用厚和低的肋片；当换热系数小时，宜选用薄和高的肋片；
9.4.2 冷板肋片的结构形状：有平直形、锯齿形、多孔形、波形，当冷板表面与环境
之间温差较大时，宜选用平直形肋片(如三角肋、矩形肋)；当冷板表面与环境之间
温差较小时，宜选用锯齿肋；
10 热性能测量
热测量是指对电子设备的样机或模型的各种热性能参数的测量。其目的在于
检验热设计的效果或是预计该设备所能达到的热性能指标，并对冷却系统的适用性
和有效性进行评价。其内容包括：
10.1 检查所设计的冷却系统是否达到预定的技术指标；
10.2 对各种电子设备的机柜、集中发热元器件、整机系统的热性能参数进行测量，
为热设计提供技术数据；
10.3 热测量的参数；
10.3.1电子设备中的关键元器件、散热器及其它冷却装置的表面温度；
10.3.2 电子设备机柜系统内的温度分布；
10.3.3 电子设备机柜内或风道处的空气流量和压力损失；
10.4 热测量技术
10.4.1 温度测量常用的热电偶传感器配合显示仪表进行，但应十分谨慎处理好热电
偶在电子器件表面的接合技术，以尽量减少测量误差；
10.4.2 测量压力常用倾斜式微压计；
10.4.3 测量流速或流量常用热球式风速仪或转子流量计。
11 散热器的设计计算方法
根据给定的结构尺寸，遵照散热器的设计原则初步设计出一种散热器，在
按以下步骤进行校核计算。
11.1 散热器的热阻 RSA= 散热器的热阻是从大的方面包括三个部分。 R对+R导+ R辐.......................................................(12) F1--对流换热面积(m) R对=1/（αF1）.......................................................(12a)
α--对流换热系数,按下式计算
自然对流： 层流 α＝1.42(△t/L)0.25
湍流 α＝1.31(△t)0.25
强迫风冷 层流 α＝0.66Ref 0.5
湍流 α＝0.032Ref 0.8
R辐--辐射换热热阻 ，可忽略不计
R导＝R 基板＋R肋导.......................................................(12b)
＝δ/(λF2)+（(1/η）-1)R对流
λ--导热系数，w/m.h.℃
δ-- 散热器基板厚度(m)
F2--基板的导热面积(m)
F2=0.785*(d+δ)2
d- 发热器件的当量直径（m)
η-- 肋效率系数
对直齿肋：
η=th(mb)/(mb)
m=(2α/λδ0)
δ0：肋片根部厚度(m)
b. 肋高(m)
RSA＝δ/(λF2)＋1/(αF1η)
11.2 散热器的流阻
散热器的流阻包括沿程阻力损失及局部阻力损失
△P＝hf+hj
=λf·L/d·V2/2g+ζV2/2g[4].......................................................(13)
λf --沿程阻力系数
层流区：Re=Vd/υ≤2300 λf=64/Re
紊统光滑区 4000
L--流向长度(m)
d--当量水利直径(m)
d=4A流通/湿周长
V--断面流速(m/s)
ζ--局面阻力系数
突然扩大：ζ＝(1-A2/A1)
突然缩小：ζ＝0.5(1-A1/A2)
A1.A2为进口及出口面积(m) υ--运动粘度系数（m2/s），从文献[4]中查找
比较Rsa ≤[Rsa], △P≤[△P],如不满足，重新进行设计散热器形状，重复上面
的步骤进行设计，直到符合要求为止。
12 冷板的换热计算［5］
12.1 冷板的换热方程
冷板的换热计算的方程式包括对流换热方程和能量平衡方程。
当安装于冷板上的电子元器件所耗散的热量通过导热、对流传给冷板时，
换热关系时为：
Q放＝hA△tmη0 .......................................................(14)
其中：h-------对流换热系数，W/m2.℃
A-------参与对流的总面积，m2
△tm---对数平均温差，℃
η0-----冷板的总效率
空气通过冷板后所吸收的热量为：
Q吸＝qmCp(t2-t1).......................................................(15)
其中：qm--------空气的质量流量，kg/s
Cp--------空气的定压比热，J/kg .℃
t1,t2-------空气的进、出口温度，℃
当达到热平衡时，冷板放出的热量应等于空气吸收的热量
12.2 冷板的换热系数
冷板的换热系数与肋片的形状、结构形式、流量和空气的物理性质有关
h= JGCpPr2/3 .......................................................(16)
其中：J----- 考尔本数，J=6/Re 0.98 (Re
J=0.023/Re 0.2
(Re>105,湍流)
G------质量流速，Kg/(s.m2)
Pr------普朗特数。
12.3 冷板的总效率
η0＝1－Af(1-ηf)/A .......................................................(17)
其中： ηf-----肋片的效率
Ar-----肋片的面积，m2
A------冷板的总面积，A＝At+Ar＋Ab, m2
At-----盖板的面积，m2
12.4 冷板的设计计算
冷板的设计有两类问题，校核计算和设计计算，
12.4.1校核计算，已知冷板的结构类型、尺寸、冷却剂的流量和工作环境，要求校核
冷板是否满足所要求的传热量以及克服流经冷板通道的压降；
(1)、已知参数：冷板的尺寸，肋片参数、空气流量、当量直径de(de=4χ/Afi)，
通道面积Af，换热面积A，冷板散热器最高台面温度、风扇的流量及压头；
传热计算
(2)、确定空气流过冷板后的温升：
△t= Q/qmCp .......................................................(18)
(3)、确定定性温度
tf=(2ts+t1+t2)/4
冷板台面温度 ts为假定值
(4)、确定定性温度下的物性参数(μ、Cp、ρ、Pr)，流体的质量流速和雷诺
数
G=qm/Af .......................................................(19) Re=deG/μ
(5)、根据雷诺数确定流体的状态(层流或紊流)，
Re
Re>105, 湍流
(6)、根据流体的状态(层流或紊流)计算考尔本数J
Re
Re>105,湍流 J=0.023/Re 0.2....................................................(21)
也可以根据齿形及雷诺数从GJB/Z 27-92 图12－18查得
(7)、计算冷板的换热系数
h= JGCpPr2/3 .......................................................(22)
(8)、计算肋片的效率
m=(2h/λδ)0.5
ηf=th(ml)/ml（也可以根据ml值查相应的图表得到肋片效
率)......(23)
(9)、计算冷板的总效率
忽略盖板及底板的效率，总效率为： A＝At+Ar＋Ab
η0＝1－Ar(1-ηf)/A .......................................................(24)
(10)、计算传热单元数
NTU＝hη0A/qmCp .......................................................(25)
(11)、计算冷板散热器的台面温度
ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1).......................................................(26)
流体流动阻力计算
(12)、计算流通面积与冷板横截面积之比
ζ=Af/Ac .......................................................(27)
(13)、查空气进入冷板时入口的损失系数Kc=f(Re,ζ)
根据雷诺数Re及ζ从GJB/Z 27-92 图12－16及图12－16查得
(14)、查空气流出冷板时出口的损失系数Ke=f(Re,ζ)
根据雷诺数Re及ζ从GJB/Z 27-92 图12－16及图12－16查得
(15)、查摩擦系数f=f(Re,ζ)
根据雷诺数Re从GJB/Z 27-92 图12－18查得
(16)、计算流动阻力
△P＝G2[(Kc+1-ζ2)+2(ρ2/ρ1-1)+f ρ1A/(Afρ
2]/(2ρ1)......(28) m)-(1-ζ2-Ke)ρ1/ρ
(17)、确定是否满足ts
确定是否满足△P
择阻力较小的齿形、增大齿解决等)或重新选择压头较大的风扇。 12.4.2 设计计算：已知功耗、冷却剂流量、压降和工作环境，要求设计一个满足要
求的冷板装置(结构尺寸)
(1)、根据预设的冷板结构尺寸，选取肋片参数，肋片间距，单位长度通道
面积Ac0，单位长度、单位宽度的换热面积Af0，初选风扇流量及压头。
传热计算
(2)、确定空气流过冷板后的温升：
△t= Q/qmCp
(3)、确定定性温度
tf=(2ts+t1+t2)/4
冷板台面温度 ts为假定值
(4)、设定冷板的宽度为b，则通道的横截面积为Ac
Ac=b×Ac0
(5)、确定定性温度下的物性参数(μ、Cp、ρ、Pr)，流体的质量流速和雷诺
数
G=qm/Af Re=deG/μ
(6)、根据雷诺数确定流体的状态(层流或紊流)，
Re
Re>105, 湍流
(7)、根据流体的状态(层流或紊流)计算考尔本数J
Re
Re>105,湍流 J=0.023/Re 0.2
也可以根据齿形及雷诺数从GJB/Z 27-92 图12－18查得
(8)、计算冷板的换热系数
h= JGCpPr2/3
(9)、计算肋片的效率
m=(2h/λδ)0.5
ηf=th(ml)/ml（也可以根据ml值查相应的图表得到肋片效率)
(10)、计算冷板的总效率
忽略盖板及底版的效率，总效率为： A＝At+Ar＋Ab
η0＝1－Ar(1-ηf)/A
(11)、计算传热有效度
ε=(t2-t1)/(ts-t1).......................................................(29)
(12)、计算传热单元数
NTU=㏑(1/(1-ε)).................................................(30)
(13)、计算所需的传热面积
A＝qmCpNTU/hη0
(14)、计算冷板散热器的长度
D＝A/Af0b
流体流动阻力计算
(15)、计算流通面积与冷板横截面积之比
ζ=Af/Ac
(16)、查空气进入冷板时入口的损失系数Kc=f(Re,ζ)
根据雷诺数Re及ζ从GJB/Z 27-92 图12－16及图12－16查得
(17)、查空气流出冷板时出口的损失系数Ke=f(Re,ζ)
根据雷诺数Re及ζ从GJB/Z 27-92 图12－16及图12－16查得
(18)、查摩擦系数f=f(Re,ζ)
根据雷诺数Re从GJB/Z 27-92 图12－18查得
(19)、计算流动阻力
△P＝G2[(Kc+1-ζ2)+2(ρ2/ρ1-1)+f ρ1A/(Afρ
2]/(2ρ1) m)-(1-ζ2-Ke)ρ1/ρ
(20)、确定是否满足A
述计算，直到满足条件为止。
确定是否满足△P
择阻力较小的齿形、增大齿解决等)或重新选择压
头较大的风扇。
参考文献
1、TS/ST 2.2.2..201 电子设备的强迫风冷热设计规范
2、TS/ST 2.2.2..202 电子设备的自然冷却热设计规范
3、电子设备结构设计标准手册，中国标准出版社
4、工程流体力学，山东电力大学
5、可靠性Ⅲ，国家军用标准GJB/Z27－92
6、GBxxxxx-89 电力半导体器件用散热器使用导则
7、 GB11456-89 电力半导体器件用型材散热器技术条件
8、 TS/ST 2.2.2..203 变频器类产品的热设计规范
9、电子设备结构设计设计手册，电子工业出版社
10、开关电源的原理与设计，电子工业出版社
11、电力电子器件基础，机械工业出版社
2 热设计的基础知识
2.1基本术语
2.1.1 热环境
设备或元器件的表面温度、外形及黑度，周围流体的种类、温度、压力及速度，每一个元器件的传热通路等情况
2.1.2 热特性
设备或元器件温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。
2.1.3 热阻
热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W，可分为导热热阻，对流热阻，辐射热阻及接触热阻四类
（热扩展效应）
2.1.4 导热系数
表征材料导热性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量，单位为W/m.K或W/m.℃
2.1.5 对流换热系数
反映两种介质间对流换热过程的强弱，表明当流体与壁面的温差为1 ℃时，在单位时间通过单位面积的热量，单位为W/m2.K或W/m2.℃
2.1.6 流阻
反映流体流过某一通道时所产生的压力差。单位帕斯卡或mm.H2O或巴
2.1.7 定性温度
确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度
2.1.8 肋片的效率
表示某一扩展表面单位面积所能传递的热量与在同样条件下光壁所能传递的热量之比
2.1.9 黑度
实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，它取决于物体种类、表
面状况、表面温度及表面颜色。
2.1.10 雷诺数Re(Reynlods)
雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的相对大小，雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。
2.1.11普朗特数Pr(Prandtl)
普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。
2.1.12 格拉晓夫数Gr(Grashof)
格拉晓夫数反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小，是说明自然对流换热强度的一个相似准则，Gr越大，表面流体所受的浮升力越大，流体的自然对流能力越强。
2.1.13 努谢尔特数Nu(Nusseltl)
反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱，是一个说明对流换热强弱的相似准则。
2.1.14 传热单元数NTU
为无因次量，其数值反映了在给定条件下所需传热面积的大小，是一个反映冷板散热器综合技术经济性能的指标。
2.1.15 冷板的传热有效度E
衡量冷板散热器在传递热量方面接近于理想传热状况的程度，它定义为冷板散热器的实际传热量和理论传热量之比，为无因次量。
2.1.16 通风机的特性曲线
指通风机在某一固定转速下工作，静压、效率和功率随风量变化的关系曲线。当风机的出风口完全被睹住时，风量为零，静压最高；当风机不与任何风道连接时，其静压为零，而风量达到增大。
2.1.17 系统的阻力特性曲线
系统(或风道)的阻力特性曲线：是指流体流过风道所产生的压力随空气流量变化的关系曲线，与流量的平方成正比。
2.1.18 通风机工作点
系统(风道)的特性曲线与风机的静压曲线曲线的交点就是风机的工作点。
2.2 几种容易混淆的概念
2.2.1温度与温升的区别
温度是量化介质热性能的一个指标，是一个绝对概念；
温升是指介质自身或介质间温度的变化范围，它总是相对于不同时刻或同一时刻的另一介质，是一个相对概念。
2.2.2 层流与紊流(湍流)
层流指流体呈有规则的、有序的流动，换热系数小，流动阻力小； 紊流指流体呈无规则、相互混杂的流动，换热系数大，流动阻力大 12.2.5 风道的局部阻力与沿程阻力
局部阻力指由于风道的截面积发生变化而引起的压力损失；
沿程阻力指由于流体粘性而引起的压力损失
2.2.4 表征温度的方式
表征介质温度的方式有三种：摄氏温度，绝对温度，华氏温度，它们的换算关系如下： TK＝273＋Tc, Tc=5(TF-32)/9
2.3 热量传递的基本方式及传热方程式
热量传递有三种方式：导热、对流和辐射，它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现
2.3.1导热的基本方程：
Q＝λF导 △t=△t/R导 .......................................................(1) λ---- 导热系数，W/m.K或W/m.℃; F导--- 导热面
积，m2
△T---- 温差，℃; R
导----- 导热热阻, ℃/W
2.3.2 对流的基本方程：
Q＝αF对△t=△t/R对.......................................................(2)
α---- 对流换热系数，W/m2.K或W/m2.℃; F对--- 有效对
流换热面积，m2
△T---- 温差，℃; R对流----- 对流
热阻, ℃/W
2.3.3 辐射的基本方程：
Q＝5.67×10-8ε
ε1212f12F辐射(T14-T24).......................................(3) 12---- 系统黑度，ε＝1/(1/ε1+1/ε2-1)
ε1，ε2----分别为物体1和物体2的黑度; f12------ 角
系数
F辐射 ---物体的辐射面积，m2; T1, T2--分别为物体1和物体2
的绝对温度，K
2.4 热电模拟
热电模拟法是用电气工程师熟悉的电路网络表示方法来处理热设计问题，将热流量(功耗)模拟成电流；温差模拟成电压(或电位差)；热阻模拟成电阻，热导模拟成电导；热容模拟成电容。
温度(温差) 是引起热流量传递的“电位”；恒温热源等效于理想的恒压源；恒定的热流源等效于理想的电流源。热沉等效于“接地”或“地线”，所有的热源和热回路均与其相连，形成热电模拟网络，导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。
热路的串联与并联等效于电路的串联与并联，串联的热阻为个部分热阻之和，并联的热阻的倒数等于各部分热阻的倒数之和。
2.5 热网络法
为了能够对多种传热方式及多种传热路径进行热计算，我们把导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理，列出不同节点间的传热方程，求解联立方程组，即可得出各节点的结温，对比较复杂的情况，需利用计算机进行求解。
3 产品的热设计指标［1］［2］［8］
3.1 散热器的表面温度最高处的温升在环境温度最大为40℃的条件下，应小于45℃.
3.2 模块内部空气的温升应小于15℃。
3.3 元器件的热设计指标［1］［2］［8］
元器件的热设计指标应符合《元器件降额规范》，具体指标如下：
3.3.1 功率器件的工作结温应小于最大结温的(0.5-0.8)倍
对额定结温为175℃的功率器件, 工作结温小于140℃.
对额定结温为150℃的功率器件, 工作结温小于120℃.
对额定结温为125℃的功率器件, 工作结温小于100℃.
3.3.2 碳膜电阻 120℃
金属膜电阻 100℃
印刷电阻 85℃
0 压制线绕电阻 150℃
涂剥线绕电阻 225 ℃
3.3.3 变压器、扼流圈表面温度
A级 90 ℃
B级 110 ℃
3.3.4 电容器的表面温度
纸质电容器 75-85
电解电容器 65-80
薄膜电容器 75-85
云母电容器 75-85
陶瓷电容器 75-85
4 热设计的基本步骤
4.1 熟悉公司的《电子设备自然冷却热设计规范》和 《电子设备的强迫风冷热设计规范》，确定设备或元器件的散热面积、散热器或冷却剂的最高和最低环境温度范围；
4.2 确定可以利用的冷却技术和限制条件，允许采用哪些冷却技术？冷却介质的温度、压力和流量各为多少？
4.3 根据《元器件降额规范》确定每一个元器件的最高允许温度(结温或表面温度)，确定每个发热元器件的功耗；
4.4 对功率器件，须根据供应商提供元器件的内热阻，确定元器件的最高壳温；
4.5 计算元器件表面的热流密度
4.6 根据元器件表面热流密度的大小确定是否加装散热器？
4.7 确定元器件至散热器表面或环境的总热阻；
4.8 合理分配热路的热阻，根据结构布局确定器件是直接贴在散热器表面还是提供引线排引到散热器？
4.9根据散热器的热阻值选择或设计散热器，确定自冷还是风冷？
4.10 如采用风冷，根据结构布局，设计风路；
4.11 根据风路特点及风量选择风扇
4.12 估算冷却方案的成本，研究其它冷却方案，进行对比，以便找到最佳方案；
4.13 根据规范内容进行具体的热设计；
4.14 热设计的同时，还应考虑可靠性、安全性、维修性及电磁兼容性设计。 5 电源系统(机柜)的热设计
5.1模块及机柜均为自冷
5.1.1热设计要点
5.1.1 机柜的后门(面板)不须开通风口；
5.1.2 底部或侧面不能漏风；
5.1.3 应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间;
5.1.4 机柜上部的监控及配电不能阻塞风道，应保证上下具有大致相等的空间；
5.1.5 对散热器采用直齿的结构,模块放在机柜机架上后,应保证散热器垂直放置,即齿槽
应垂直于水平面。对散热器采用斜齿的结构,除每个模块机箱前面板应开通风口外,在机柜的前面板也应开通风口。
5.1.2当电源系统容量较小时, 可采用结构较为简单的系统无风道结构,如图2所示，在两层模块之间开进风口；当通信电源系统容量较大时,可采用系统带风道结构,如图1所示，即层与层之间设置有隔板，以避免下层模块对上层模块的影响。
5.1.3 通风口面积计算
5.1.3.1进风口面积的计算
在机柜的前面板上开各种形式的通风孔或百叶窗，以增加空气对流，进风口的面积大小按下式计算：
Sin=Q/(7.4×10-5H×Δt1.5) ［2］.......................................................(4)
s-通风口面积的大小，cm2
Q-机柜内总的散热量，W
H-机柜的高度，cm，约模块高度的1.5-1.8倍，
Δt=t2-t1--内部空气温度t2与外部空气温度 t1 之差 ， ℃
5.1.3.2 出风口面积的计算
由于其它受热后膨胀，出风口得的面积应大于进风口的面积，一般情况下： Sout=(1.5-2.0)Sin
5.2模块风冷，机柜自冷
5.2.1采用直齿型散热器，且散热器水平放置
在后面板(后门)上与模块层对应的位置开通风口，通风口的面积大小应为：
S＝(1.5-2.0)(N×S模块)［2］.........................................(5) N---每层模块的总数
S模块---每一个模块的进风面积
5.2.2如采用斜齿散热器，后面板也可以不开孔
6 模块的热设计
6.1 机箱的热设计
6.1.1模块内部空气温升的估算
6.1.1.1 对密封机箱
WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4ζεTmΔT
6.1.1.2 对通风机箱
WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4ζεTmΔt+1000uAΔT ［3］.......(7) WT -模块的耗散功率，W
Ss－机箱侧面内壁的有效面积，m2
St 朹机箱顶部面积，m2
Sb-机箱的底面积，m2 ［3］..................(6)
Δt-风道进出口温差，℃
ζ－斯－波尔兹曼常数，为5.67×10-8W/m2.K
ε-辐射系数
Tm＝（T+Ta）/2
T-机箱的表面温度，K
Ta－环境温度，K
u- 自然风速，一般取0.1-0.2m/s
A-机箱的进风面积，m2
6.1.1.3 对强迫通风机箱
WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4ζεTmΔt+1000QfΔT
［3］....................(8)
Qf-风量，m3/s
6.1.2 对强迫风量机箱，如果所计算出的风量非常小，则表明不必采用强制风冷通风机箱，只需采用自然散热通风机箱。
6.1.3 机箱的热设计还需考虑风路的特点、气流的分配和控制、空气进出口障碍物的影响、风扇与通风口的距离、通风口的设计、空气过滤器的采用与否、噪声的抑制及风扇制动的影响等。
6.2 选择功率器件时的热设计
6.2.1 在其它性能参数相同的情况下，应优先选用允许结温Tj高的功率器件（根据供应商手册提供的数据进行筛选）；
6.2.2 在其它性能参数相同的情况下，应优先选用结壳热阻Rjc较小的功率器件(根据供应商手册提供的数据进行筛选）；
6.2.3 在其它性能参数相同的情况下，应优先选用传热面较大的功率器件(根据供应商手册提供的数据进行筛选）,以减小功率器件与散热器间的接触热阻Rcs；
6.2.4 对于MOSFET器件,在的结壳热阻RJC相近的条件下,应优先选用25℃下RD(ON)较小的器件.
6.2.5 对于IGBT器件, 在的结壳热阻RJC相近的条件下,应优先选用相同门极电阻下开关能量较小的器件.
6.3元器件布局时的热设计
6.3.1电阻的散热一般是通过固定连接片或引线两端的传导以及本身的辐射，对流进行散热的，所以电阻表面应涂覆无光泽的粗糙漆，放置位置应便于对流散热并加大与其它元件之间的距离。
6.3.2 对不加屏蔽罩的变压器，铁芯与支架、支架与固定面之间应有良好的接触， 以使其接触热阻最低; 对带屏蔽罩的变压器，外罩必须与固定面良好接触，把变压器的固定面用支架垫高，并在底板上开通风口，以形成气流对流
6.3.3 自然对流条件下，在布置元器件时，元器件与元器件之间，元器件与结构件
6.3.3.1 对相邻的两垂直发热表面，d/L=0.25，如图1-(a)所示;
6.3.3.2 对相邻的垂直发热表面与冷表面间距,dmin=2.5mm, 如图1-(b)所示;
6.3.3.3.对邻近的水平发热圆柱体和冷的上表面之间,d/D=0.85, 如图1-(c)所示; 06.3.3.4 对邻近的水平发热圆柱体和冷的垂直表面之间,d/D=0.7, 如图1-(d)所示;
6.3.3.5 对邻近的水平发热圆柱体和冷的水平底面之间,d/D=0.65, 如图1-(e)所示;
6.3.3.6在PCB上安装各种元器件时，应将功率大、发热量大的元器件放在边沿和顶部，以利于散热;
6.3.3.7 在布置元器件时，应将不耐热的元件(如电解电容器)放在靠近进风口的位置，而将本身发热而又耐热的元件(如电阻,变压器等)放在靠近出风口的位置;
6.3.3.8在PCB上安装各种元器件时，应将功率大、发热量大的元器件放在出风口的位置。
6.3.3.9对热敏感元件，在结构上应采用“热屏蔽”方法解决。
6.4 元器件的安装
元器件的安装应尽量减少元器件壳与散热器表面间的热阻，即接触热阻。 之间应保持一定距离，以利于空气流动，增强对流换热;
6.4.1为尽量减小传导热阻，应采用短通路，即尽可能避免采用导热板或散热块把元器件的热量引到散热器表面，而元器件直接贴在散热器表面则是最经济、最可靠、最有效的散热措施。
6.4.2 为了改善器件与散热器接触面的状况，应在接触面涂导热介质，常用的导热介质有导热脂、导热胶、导热硅油、热绝缘胶等。
6.4.3 对器件须与散热器绝缘的情况，采用的绝缘材料应同时具有良好的导热性能，且能够承受一定的压力而不被刺穿。常用绝缘垫片的导热系数如下表所示，其接触热阻的大小因使用条件不同（如紧固压力及接触面积等）而不同。
氧化铍由于有毒性，在美国及欧州已被禁止使用在元器件的生产中，所以推荐使用三氧化二铝和氮化铝陶瓷基片，但氮化铝陶瓷的价格较昂贵，为三氧化二铝陶瓷的（3－5）倍。
6.4.4把器件装配在散热器上时，应严格按照数据手册中提供的安装压力或力矩进行装配，压力不足会使接触热阻增加，压力过大会损坏器件。
6.4.5 将大功率混合微型电路芯片安装在比芯片面积大的钼片上。
6.4.6 对于多层印制线路板，应利用电镀通孔来减少通过线路板的传导热电阻。这些小孔就是热通路或称热道。
6.4.7 当利用接触界面导热时，采用下列措施使接触热阻减到最小。
6.4.7.1 尽可能增大接触面积；
6.4.7.2 确保接触表面平滑；
6.4.7.3 利用软材料接触；
6.4.7.4 扭紧所有螺栓以加大接触压力(注意不应残留过大应力)；
6.4.7.5 利用合理的紧固件设计来保证接触压力均匀；
6.5 印制板的热设计
印制板热设计的任务是有效地把印制板上的热引导到外部(散热器和大气中)。
6.5.1印制线的载流容量和温升
6.5.1.1 设计印制板时要保证印制线的载流容量，印制线的宽度必须适于电流的传导，不能引起超过允许的温升和压降。
6.5.1.2相邻印制线的问题也必须符合电气绝缘要求，不能因遇到潮湿条件及灰尘微
粒附到印制板表面而引起印制线短路或漏电。
6.5.2 印制板的散热
6.5.2.1 选用厚度大的印制线，以利于印制线的导热和自然对流散热。
6.5.2.2 减小元器件引线腿及元器件引线间的热阻，增强元器件引线腿对印制线的
热传导，增强导电性。
6.5.2.3 当元器件的发热密度超过0.6W/cm3，单靠元器件的引线腿及元器件本身不
足充分散热，应采用散热网、汇流条等措施。
6.5.2.4 若发热密度非常高，则元器件应安装散热器，在元器件和散热材料之间应
涂抹导热膏。
6.5.2.5 以上措施仍不能充分散热时，就应采用热传导性能好的印制板，如金属基
底印制板和陶瓷基底(高铝陶瓷、氧化砖陶瓷、冻石陶瓷)印制板。
6.6 安装PCB板时热设计
6.6.1 自然冷却条件下，对设备内有多块PCB板时，应与进风方向平行并列安装，每
块PCB板间的间距应大于30mm，以利于对流散热；对强迫风冷条件下，PCB板的间
距可以适当减小，但必须符合安规要求。
6.6.2 底板、隔热板、屏蔽板、印制板的位置应以不要阻碍或阻断气流为原则
6.7风路设计
6.7.1自然冷却
6.7.1.1功能单元(模块)布局应考虑机柜的风路设计要求, 对直齿型散热器, 应保
证散热器的齿槽垂直于水平面, 有利于形成“烟囱”效应;
6.7.1.2元器件应纵向排列,让元器件的长边与空气上升的方向平行；
6.7.1.3 机箱内元器件布置应较稀疏，有利于空气流通。
6.7.2 强迫风冷
6.7.2.1如果发热分布均匀， 元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源；
6.7.2.2如果发热分布不均匀，在发热量大的区域元器件应稀疏排列，而发热量小的
区域元器件布局应稍密些，或加导流条，以使风能有效的流到关键发热器件。
6.7.2.3 如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件，应在模块内部采用
阻流方法，使大部分的风量流入散热器。
6.7.2.4 进风口的结构设计原则：一方面尽量使其对气流的阻力最小，另一方面要考
虑防尘，需综合考虑二者的影响。
6.7.3 风道的设计原则
一些产品如变频器类一般都有专门的通风管道，正确地设计和安装风道对
散热效果有较大的影响，风道设计应注意下面几个问题：
6.7.3.1 风道尽可能短，缩短管道长度可以降低风道阻力；
6.7.3.2 尽可能采用直的锥形风道，直管加工容易，局部阻力小；
6.7.3.3 风道的截面尺寸和出口形状，风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致，以避
免因变换截面而增加阻力损失，截面形状可为园形，也可以是正方形或长方形；
6.8 确定冷却方法的原则
6.8.1冷却方法种类
常用的冷却方式有：自然冷却，强迫风冷，强迫液冷，蒸发冷却，热电致
冷，热管冷却，冷板技术。
6.8.2 选择冷却方法须考虑的因素
设备的热流密度，总损耗，能提供的散热表面积及体积，设备和元器件的
允许温度(温升)，环境条件等
6.8.3 确定冷却方法的原则
在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却，只有在自然冷却无法满足散热要
求时，才考虑其它冷却。
当冷却表面的热流密度为0.024-0.039W/cm2［5］，采用自然对流，上限适用
于通风条件较差的情况，下限适用于通风条件较畅的场合。
当冷却表面的热流密度为0.078W/cm2 ［5］，采用强迫风冷
6.9 功率器件的工作结温估算
在确知散热器的台面温度或散热器的热阻、器件的内热阻及器件与散热
器间的接触热阻的情况下，如何估算器件的工作结温呢？
如果已知道散热器台面温度Ts , 则器件的工作结温为：
Tj=Ts+ PT×Rth(j-s) .......................................................(9)
如果已知散热器的热阻，环境温度，则器件的工作结温为：
Tj=Ta+ PT×Rth(j-a).......................................................(10)
7 风机的选择
7.1风机的种类：通风机可分为轴流风机和离心风机两类
冷却 轴流风机：风量大，压头小，噪音小 离心式风机：风压较高，一般适应于阻力较大的发热元器件或机柜
7.2 选择风机需考虑的因素及原则
7.2.1需考虑的因素
风量、风压(静压)、效率、空气流速、风道阻力特性、应用的环境条件、
其中风量、风压是主要参数。
7.2.2 选择风机的原则
7.2.2.1当要求风量大，风压低时，采用轴流风机；
7.2.2.2当要求风压较大时，需采用离心风机;
7.2.2.3 风机类型确定以后，再根据工作点来选择具体的型号和尺寸。
7.3通风机的串联
当通风机的风量满足要求，而风压不够时，可采用两只通风机串联工作的方
式，以提高其工作能力。通风机串联时，其工作特性曲线发生变化：风量基本等于
每台风机的风量(略有增加)，而风压为相同风量下两台风机的风压之和。如下图所
示。
7.4 通风机的并联
当通风机的风压满足要求，而风量不够时，可采用两只通风机并联工作的方式，
以提高其工作能力。通风机并联时，其工作特性曲线发生变化：风压基本等于每台
风机的风压(略有增加)，而风量为个通风机风量之和。如下图所示。
8 选择散热器的步骤［6］
8.1 计算出各发热器件的损耗
8.2 计算出所需散热器的热阻
Rsa=(Tj-Ta)/P-Rcs-Rjc .......................................................(11)
Tj--器件结温(℃)，可从器件的数据手册中查找。
Ta--环境温度(℃) Rcs--接触热阻，从器件数据手册中查找(℃/W)
Rjc--器件结壳热阻，从器件数据手册查找(℃/W)
P--器件最大耗散功率
8.3 确定冷却方式
8.4 根据Rsa及散热器的体积要求查找相应的散热器样本，选择合适的散热器;
8.5 如选择风冷方式，确定风速(风量)大小
8.7 如果散热器样本中找不出合适的散热器，需自行设计时，先根据经验设计出一
个初步的形状，再进行计算校核，如计算结果大于所需的热阻值，须重新进行设计，
再进行计算校核，直到满足要求为止。
9 散热器的设计原则［7］
进行散热器设计或校核时应遵循以下原则：
9.1 通用散热器的选择及设计原则
9.1.1材质的选择
散热器材料应具有较高的导热系数，一般推荐使用
浇铸或压铸散热器： 纯铝 λ=210W/m.k
铝型材散热器：6063（LD31） λ=180W/m.k
特殊条件下： 紫铜T2 λ=380W/m.k
9.1.2 散热器的各项技术指标应符合 ＧＢ１１４５６－８９《电力半导体器件型材
散热器技术条件》;
9.1.3 散热器安装器件的表面光洁度Ra
9.1.4 对型材散热器，肋片高=(3-5)倍肋间距的设计具有最优的性能价格比;
9.1.5 型材散热器的肋表面应加波纹齿，波纹齿高为0.3-0.5mm,宽为0.5-1mm,以增加
对流换热面积；
9.1.6 应保证散热器具有一定的基板厚度，推荐5-10mm之间；而对工作在间歇式方
式下的散热器，基板的大小应充分考虑散热器的瞬态热阻，具体情况具体设计。
9.1.7 对只安装一个器件在散热器的中央，散热器的长度应为截面宽度的1.5-2倍；
9.1.8 当散热器流向长度大于300mm以上，应把散热器的肋片从中间断开，以增加
流体扰动，提高对流换热系数。
9.1.9 对自然对流条件下，散热器的齿间距应大于12mm，以避免热边界层相互交叉。
9.2 冷板散热器的设计原则
9.2.1冷板散热器的定义：电子设备用的冷板是指一种单流体(空气、水或其它冷却
剂)的换热器。
9.2.2 冷板的特点
9.2.2.1 冷板的温度梯度小，热分布均匀，可带走较大的集中热载荷；
9.2.2.2 换热系数大，传热效率高；
9.2.2.3 单位条件的传热面积大，结构紧凑，体积小
9.2.2.4 基于冷板具有上述优点, 在功耗较大，且产品的空间(体积)及重量受限时，
须选用冷板。
9.3 冷板的组成
一般由封端、盖板、肋片及底版组成，各部分可采用真空钎焊、氩弧焊、
镶嵌等方法组装在一起。
9.4 冷板的材料
9.4.1 对真空钎焊成形方式
无强度要求 ：一般采用LY21
有强度要求： LD2(美国6061)
9.4 设计原则
9.4.1基板厚度一般为5－6mm；肋片的厚度为0.2-0.6mm，肋片间距0.5-5.0mm；当
换热系数大时，宜选用厚和低的肋片；当换热系数小时，宜选用薄和高的肋片；
9.4.2 冷板肋片的结构形状：有平直形、锯齿形、多孔形、波形，当冷板表面与环境
之间温差较大时，宜选用平直形肋片(如三角肋、矩形肋)；当冷板表面与环境之间
温差较小时，宜选用锯齿肋；
10 热性能测量
热测量是指对电子设备的样机或模型的各种热性能参数的测量。其目的在于
检验热设计的效果或是预计该设备所能达到的热性能指标，并对冷却系统的适用性
和有效性进行评价。其内容包括：
10.1 检查所设计的冷却系统是否达到预定的技术指标；
10.2 对各种电子设备的机柜、集中发热元器件、整机系统的热性能参数进行测量，
为热设计提供技术数据；
10.3 热测量的参数；
10.3.1电子设备中的关键元器件、散热器及其它冷却装置的表面温度；
10.3.2 电子设备机柜系统内的温度分布；
10.3.3 电子设备机柜内或风道处的空气流量和压力损失；
10.4 热测量技术
10.4.1 温度测量常用的热电偶传感器配合显示仪表进行，但应十分谨慎处理好热电
偶在电子器件表面的接合技术，以尽量减少测量误差；
10.4.2 测量压力常用倾斜式微压计；
10.4.3 测量流速或流量常用热球式风速仪或转子流量计。
11 散热器的设计计算方法
根据给定的结构尺寸，遵照散热器的设计原则初步设计出一种散热器，在
按以下步骤进行校核计算。
11.1 散热器的热阻 RSA= 散热器的热阻是从大的方面包括三个部分。 R对+R导+ R辐.......................................................(12) F1--对流换热面积(m) R对=1/（αF1）.......................................................(12a)
α--对流换热系数,按下式计算
自然对流： 层流 α＝1.42(△t/L)0.25
湍流 α＝1.31(△t)0.25
强迫风冷 层流 α＝0.66Ref 0.5
湍流 α＝0.032Ref 0.8
R辐--辐射换热热阻 ，可忽略不计
R导＝R 基板＋R肋导.......................................................(12b)
＝δ/(λF2)+（(1/η）-1)R对流
λ--导热系数，w/m.h.℃
δ-- 散热器基板厚度(m)
F2--基板的导热面积(m)
F2=0.785*(d+δ)2
d- 发热器件的当量直径（m)
η-- 肋效率系数
对直齿肋：
η=th(mb)/(mb)
m=(2α/λδ0)
δ0：肋片根部厚度(m)
b. 肋高(m)
RSA＝δ/(λF2)＋1/(αF1η)
11.2 散热器的流阻
散热器的流阻包括沿程阻力损失及局部阻力损失
△P＝hf+hj
=λf·L/d·V2/2g+ζV2/2g[4].......................................................(13)
λf --沿程阻力系数
层流区：Re=Vd/υ≤2300 λf=64/Re
紊统光滑区 4000
L--流向长度(m)
d--当量水利直径(m)
d=4A流通/湿周长
V--断面流速(m/s)
ζ--局面阻力系数
突然扩大：ζ＝(1-A2/A1)
突然缩小：ζ＝0.5(1-A1/A2)
A1.A2为进口及出口面积(m) υ--运动粘度系数（m2/s），从文献[4]中查找
比较Rsa ≤[Rsa], △P≤[△P],如不满足，重新进行设计散热器形状，重复上面
的步骤进行设计，直到符合要求为止。
12 冷板的换热计算［5］
12.1 冷板的换热方程
冷板的换热计算的方程式包括对流换热方程和能量平衡方程。
当安装于冷板上的电子元器件所耗散的热量通过导热、对流传给冷板时，
换热关系时为：
Q放＝hA△tmη0 .......................................................(14)
其中：h-------对流换热系数，W/m2.℃
A-------参与对流的总面积，m2
△tm---对数平均温差，℃
η0-----冷板的总效率
空气通过冷板后所吸收的热量为：
Q吸＝qmCp(t2-t1).......................................................(15)
其中：qm--------空气的质量流量，kg/s
Cp--------空气的定压比热，J/kg .℃
t1,t2-------空气的进、出口温度，℃
当达到热平衡时，冷板放出的热量应等于空气吸收的热量
12.2 冷板的换热系数
冷板的换热系数与肋片的形状、结构形式、流量和空气的物理性质有关
h= JGCpPr2/3 .......................................................(16)
其中：J----- 考尔本数，J=6/Re 0.98 (Re
J=0.023/Re 0.2
(Re>105,湍流)
G------质量流速，Kg/(s.m2)
Pr------普朗特数。
12.3 冷板的总效率
η0＝1－Af(1-ηf)/A .......................................................(17)
其中： ηf-----肋片的效率
Ar-----肋片的面积，m2
A------冷板的总面积，A＝At+Ar＋Ab, m2
At-----盖板的面积，m2
12.4 冷板的设计计算
冷板的设计有两类问题，校核计算和设计计算，
12.4.1校核计算，已知冷板的结构类型、尺寸、冷却剂的流量和工作环境，要求校核
冷板是否满足所要求的传热量以及克服流经冷板通道的压降；
(1)、已知参数：冷板的尺寸，肋片参数、空气流量、当量直径de(de=4χ/Afi)，
通道面积Af，换热面积A，冷板散热器最高台面温度、风扇的流量及压头；
传热计算
(2)、确定空气流过冷板后的温升：
△t= Q/qmCp .......................................................(18)
(3)、确定定性温度
tf=(2ts+t1+t2)/4
冷板台面温度 ts为假定值
(4)、确定定性温度下的物性参数(μ、Cp、ρ、Pr)，流体的质量流速和雷诺
数
G=qm/Af .......................................................(19) Re=deG/μ
(5)、根据雷诺数确定流体的状态(层流或紊流)，
Re
Re>105, 湍流
(6)、根据流体的状态(层流或紊流)计算考尔本数J
Re
Re>105,湍流 J=0.023/Re 0.2....................................................(21)
也可以根据齿形及雷诺数从GJB/Z 27-92 图12－18查得
(7)、计算冷板的换热系数
h= JGCpPr2/3 .......................................................(22)
(8)、计算肋片的效率
m=(2h/λδ)0.5
ηf=th(ml)/ml（也可以根据ml值查相应的图表得到肋片效
率)......(23)
(9)、计算冷板的总效率
忽略盖板及底板的效率，总效率为： A＝At+Ar＋Ab
η0＝1－Ar(1-ηf)/A .......................................................(24)
(10)、计算传热单元数
NTU＝hη0A/qmCp .......................................................(25)
(11)、计算冷板散热器的台面温度
ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1).......................................................(26)
流体流动阻力计算
(12)、计算流通面积与冷板横截面积之比
ζ=Af/Ac .......................................................(27)
(13)、查空气进入冷板时入口的损失系数Kc=f(Re,ζ)
根据雷诺数Re及ζ从GJB/Z 27-92 图12－16及图12－16查得
(14)、查空气流出冷板时出口的损失系数Ke=f(Re,ζ)
根据雷诺数Re及ζ从GJB/Z 27-92 图12－16及图12－16查得
(15)、查摩擦系数f=f(Re,ζ)
根据雷诺数Re从GJB/Z 27-92 图12－18查得
(16)、计算流动阻力
△P＝G2[(Kc+1-ζ2)+2(ρ2/ρ1-1)+f ρ1A/(Afρ
2]/(2ρ1)......(28) m)-(1-ζ2-Ke)ρ1/ρ
(17)、确定是否满足ts
确定是否满足△P
择阻力较小的齿形、增大齿解决等)或重新选择压头较大的风扇。 12.4.2 设计计算：已知功耗、冷却剂流量、压降和工作环境，要求设计一个满足要
求的冷板装置(结构尺寸)
(1)、根据预设的冷板结构尺寸，选取肋片参数，肋片间距，单位长度通道
面积Ac0，单位长度、单位宽度的换热面积Af0，初选风扇流量及压头。
传热计算
(2)、确定空气流过冷板后的温升：
△t= Q/qmCp
(3)、确定定性温度
tf=(2ts+t1+t2)/4
冷板台面温度 ts为假定值
(4)、设定冷板的宽度为b，则通道的横截面积为Ac
Ac=b×Ac0
(5)、确定定性温度下的物性参数(μ、Cp、ρ、Pr)，流体的质量流速和雷诺
数
G=qm/Af Re=deG/μ
(6)、根据雷诺数确定流体的状态(层流或紊流)，
Re
Re>105, 湍流
(7)、根据流体的状态(层流或紊流)计算考尔本数J
Re
Re>105,湍流 J=0.023/Re 0.2
也可以根据齿形及雷诺数从GJB/Z 27-92 图12－18查得
(8)、计算冷板的换热系数
h= JGCpPr2/3
(9)、计算肋片的效率
m=(2h/λδ)0.5
ηf=th(ml)/ml（也可以根据ml值查相应的图表得到肋片效率)
(10)、计算冷板的总效率
忽略盖板及底版的效率，总效率为： A＝At+Ar＋Ab
η0＝1－Ar(1-ηf)/A
(11)、计算传热有效度
ε=(t2-t1)/(ts-t1).......................................................(29)
(12)、计算传热单元数
NTU=㏑(1/(1-ε)).................................................(30)
(13)、计算所需的传热面积
A＝qmCpNTU/hη0
(14)、计算冷板散热器的长度
D＝A/Af0b
流体流动阻力计算
(15)、计算流通面积与冷板横截面积之比
ζ=Af/Ac
(16)、查空气进入冷板时入口的损失系数Kc=f(Re,ζ)
根据雷诺数Re及ζ从GJB/Z 27-92 图12－16及图12－16查得
(17)、查空气流出冷板时出口的损失系数Ke=f(Re,ζ)
根据雷诺数Re及ζ从GJB/Z 27-92 图12－16及图12－16查得
(18)、查摩擦系数f=f(Re,ζ)
根据雷诺数Re从GJB/Z 27-92 图12－18查得
(19)、计算流动阻力
△P＝G2[(Kc+1-ζ2)+2(ρ2/ρ1-1)+f ρ1A/(Afρ
2]/(2ρ1) m)-(1-ζ2-Ke)ρ1/ρ
(20)、确定是否满足A
述计算，直到满足条件为止。
确定是否满足△P
择阻力较小的齿形、增大齿解决等)或重新选择压
头较大的风扇。
参考文献
1、TS/ST 2.2.2..201 电子设备的强迫风冷热设计规范
2、TS/ST 2.2.2..202 电子设备的自然冷却热设计规范
3、电子设备结构设计标准手册，中国标准出版社
4、工程流体力学，山东电力大学
5、可靠性Ⅲ，国家军用标准GJB/Z27－92
6、GBxxxxx-89 电力半导体器件用散热器使用导则
7、 GB11456-89 电力半导体器件用型材散热器技术条件
8、 TS/ST 2.2.2..203 变频器类产品的热设计规范
9、电子设备结构设计设计手册，电子工业出版社
10、开关电源的原理与设计，电子工业出版社
11、电力电子器件基础，机械工业出版社