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汽车电子模块热分析与热设计概述

汽车电子模块对环境温度要求严苛，即便采用汽车级器件，若散热设计不当，仍会导致器件烧毁或寿命大幅缩短。因此，热设计在汽车电子中占据重要地位。广义的热设计需全面考虑高温、低温及冷热交替对电路的影响：

高温影响：器件损耗导致温度急剧上升，可能超出器件使用范围，甚至直接烧毁。不同热性质材料间因温差产生机械应力，导致结构脆弱部分受力过大，诱发早期失效。高温还显著影响元件可靠性，遵循“10℃法则”，即温度每升高10℃，器件寿命缩减一半。

低温影响：半导体器件性能在低温下显著变化，如PN结电压升高，影响二极管和三极管性能。大部分器件有温度系数，部分器件参数可能突变，如铝电解电容的ESR。低温还可能导致电路振荡、不稳定、过冲和速度变慢。

冷热交替影响：电路经历高温到低温再回到高温的过程，会产生热冲击，毁坏器件焊接点和器件本身。温度梯度还可能因热电偶效应产生小电压误差，影响电路性能。

汽车电子模块的热分析和热设计技术，旨在分析模块内部各功能和器件的热损耗与整体散热特性，通过选型和优化，降低器件功率损耗，提高散热效果，确保模块可靠安全工作。

热设计层次

汽车电子热设计分为三个层次：

系统级热设计：

由整车厂主导，针对电子模块和发热部件整体进行热设计。

传统汽车电子领域中，大部分模块发热量小，无需专门分析设计。

混合动力和电动车研发中，高压电池、电池保护器、车载充电器和DC-DC转换器等大功率模块的热量散发是重点。

板级热设计：

针对模块内部电路板和散热器等进行设计。

考虑发热元件在模块内部环境中的散热情况，外壳密闭设计使此项尤为重要。

一般通过软件仿真完成，在印制电路板布线后进行。

元器件级热设计：

针对所有器件进行热设计，始于器件选型时。

分为稳态分析和暂态分析两种。

热分析基础

热分析主要围绕散热进行，散热即热量传递，主要有三种方式：

热传导：物质本身或物质接触时的能量传递，是最普遍的热传递方式。

热对流：流动的流体（气体或液体）将热带走的热传递方式。

热辐射：依靠射线辐射传递热量。

这三种散热方式通常同时发生、共同作用。模块设计时需考虑系统可采取的散热方式。

散热方式

散热方式分为主动散热和被动散热：

主动散热：

强制风冷：使用风扇带走模块耗散的热量，常见且简单。考虑防尘防水，一般使用空调产生的过滤冷风，效果较好。冷空气送入模块外壳包装内，可采用连续流或平行流方式。

液体冷却：使用液体在泵的带动下强制循环带走热量。通过金属管道将大功率模块与金属散热板相连，具有安静、降温稳定和对环境依赖小等优点。液体传热介质可采用水、乙二醇或制冷剂，传热速率取决于液体的热导率、粘度、密度和流动速率等。液冷成本较高，传统汽车电子模块很少采用，但新能源汽车上的大功率DC-DC变换器、充电机和逆变器必须采用液冷。

被动散热：

也称自然冷却，依靠外壳直接热传导散热，内部较热器件可采用金属散热器。

汽车行驶中产生的自然风有助于吸收热量。

散热功率受限，适用于低功率场合。传统汽车电子模块多采用自然冷却方式。

热设计优化方法

对模块热设计可采取以下方法进行调整和优化：

增加印制电路板内层数量，提高散热效果。

连接器采用铜材质螺丝，降低模块内部空气对外部环境的热阻。

模块外壳采用黑色，增大散热效率。

总结：

模块热分析--没有尽头的分析 汽车电子模块对环境温度有很苛刻的要求,主要体现在环境温度的标准定义中。在第1章中有关于温度的详细分析。即使我们采用了汽车级别的器件,散热设计的不周也会导致器件烧毁或者寿命严重缩短。因此,汽车电子中的热设计往往处在非常重要的地位。广义的热设计,并不仅需要面对高温,而是需要全面考虑整个温度范围,考虑高温、低温甚至是冷热交替对电路造成负面的影响。①高温的影响:由器件损耗引起的温度急剧上升可能导致超过器件使用范围,甚至直接让器件烧毁。由于器件与环境温度之间过大的温差,使得不同热性质材料的器件产生较大的机械应力,导致脆弱的结构部分受力过大和诱发早期失效。高温也对元件可靠性产生巨大的影响,根据阿伦尼乌斯方程可得:温度每升高10℃,器件的寿命会缩减一半,这个规律也可称 为“10 ℃法则”。②低温的影响:半导体器件的性能在低温下会发生显著变化,受影响的是器件本身的参数。具有代表性的例子是PN结电压在低温下会大大升高,二极管和三极管都会受到明显的影响,并且大部分器件都有温度系数,甚至有些期间会突变,比如铝电解电容的ESR。低温还可能对电路产生振荡、不稳定、过冲和速度变慢等影响。 ③冷热交替产生热冲击:电路从高温到低温,然后又从低温到高温。这种状况会造成热冲击,也会毁坏器件焊接点和器件本身。在测量电路中,由于焊接材料和器件引脚材料并不相同,温度梯度可能由热电偶效应会产生小电压误差,使得电路产生问题。汽车电子模块的热分析和热设计技术,就是考虑以上3种不同的温度条件对模块的影响，特别着重于高温的分析,低温的影响一般在电路的最坏分析之中作为分析内容之一,热冲击则在器件选型和生产工艺中涉及。因此在这里所谈的热分析和热设计,就是分析模块内部的名个功能和器件的热损耗与模块整体的散热特性,通过选型和优化,降低器件本身的功率损耗并提高整个散热效果,将模块内部的热量散发至汽车的外部环境中,确保模块可靠和安全的工作。(1)热设计汽车电子的热设计可分为3个层次:系统级的热设计,一般由整车厂主导下进行,是对电子模块和发热部件整体的热设计;板级热设计,是针对模块内部的电路板和散热器等所展开的;元器件级的热设计,是对于所有的器件进行的。 ①系统级的热设计:传统的汽车电子领域中,大部分模块由于发热量较小并不需要专门对此进行分析和设计。在混合动力和电动车的研发中,高压电池、电池保护器、车载充电器和DC-DC转换器等大功率模块的热量散发是整车研究的重要内容。 ②)板级热设计:对于大部分汽车电子产品来说,板级热设计是非常重要的。考虑的内容主要是由发热元件在模块内部环境中的散热情况。一般为了防水设计,外壳都是需要密闭的，因此此项内容格外重要。板级热设计一般通过软件仿真完成,在印制电路板布线完成后可以进行。 ③元器件级的热设计:元器件的热设计开始于器件选型时,一般可以分为稳态分析和暂态分析两种。 在目前的电动汽车和插入式混合动力车的开发中,部件大功率化非常明显。在效率很难提高时,越大的功率意味着越大的功率损耗,绝大部分能量以热能的形式释放出来。因此对于现在的汽车电子来说热分析和热设计越来越重要。(2)热分析 热分析大部分都是围绕着散热进行的。散热就是热量传递,其传递方式主要有3种:热传导、热对流和热辐射。 ①热传导:物质本身或当物质与物质接触时的能量传递,这是最普遍的一种热传递方式②热对流:流动的流体(气体或液体)将热带走的热传递方式。 ③热辐射:指的是依靠射线辐射传递热量。 这3种散热方式都不是孤立的,在大部分常见的热量传递中,这3种散热方式都是同时发生、共同起作用的。对于一个模块来说,首先需要考虑系统可以采取的散热方式。(3)散热方式 按照从模块带走热量的方式，分为主动散热和被动散热。 ①主动散热:对于主动散热可进一步细分为强制风冷、液体冷却等。 风冷散热主动散热中最常见且非常简单的散热方式,使用风扇带走模块耗散的热量。从防尘防水的角度,一般考虑系统使用风扇对一片区域进行散热,并使用空调产生的经过过滤的冷风,效果是比较好的。将冷空气送入模块的外壳包装内,一般可采取两种方式:连续流和平行流。连续流是空气从包装的一端流人、从另一端流出;平行流是相同流速的总气流被分成几股,分别流入模块的内部,要根据内部的结构对空气进行分配。 液体冷使用液体在泵的带动下强制循环带走模块内部耗散的热量。一般通过金属的管道将大功率的模块直接与金属散热板相连,与风冷相比,具有安静,降温稳定和对环境依赖小等优点。液体的传热介质可以采用水、乙二醇甚至制冷剂,粘度比大多数油低,有较高的传热系数。模块的散热板和传热介质之间进行传热的速率取决于液体的热导率、粘度、密度和流动速率等。在相同流速下,大多数直接接触式流体传热速率远高于空气。但是采用液冷需要考虑冷却液的循环回路和增压泵,这些都大大增加了成本。传统的汽车电子模块是很少采用此种散热模式的;但是在新能源汽车上,大功率DC-DC变换器、充电机和逆变器都必须采用液 冷的方式才能完成正常的工作。② 被动散热:也称为自然冷却,具有无机械故障、可靠性高、无空气流动和无噪声等特点。模块主要是依靠其外壳进行直接的热传导式散热,内部较热的器件可采用金属散热器进行散热。由于汽车行驶中会产生一定的自然风,也就会被外部空气吸收较多的热量。采用被动散热的方式,散热的功率受到一定的限制,只能用于低功率的场合。目前绝大多数的传统的汽车电子模块牁孱洯准都是采用自然冷却的方式。 对于模块热设计的方式,可采取不同的方式对原有的设计进行调整,以下的一些方法经过 测试较为有效:①)在原来的基础上多增加两层印制电路板的内层,可以起到很好的散热效果。②)在连接器騫掾垟帘攏濂胥较猿采用铜材质的螺丝,可使模块内部空气对外部环境有一个相对低的热阻以达到模块整体散热的目的。模块的外壳采用黑色,以增大模块散热的效率。