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汽车稳态的散热计算方法

在汽车电子及动力系统的设计开发进程中，元器件的热分析是极为关键的一环，它贯穿于整个设计周期，且需从系统设计的早期阶段就全面展开。对于汽车设计工程师来说，掌握一套既简略又详细的热分析方法至关重要，这能帮助他们精准把控汽车各部件的散热性能，确保汽车在各种工况下都能稳定运行。

从本质上讲，汽车元件热分析包含大量参数设计内容，是整个汽车热设计的基石。汽车运行环境复杂多变，不同路况、气候条件以及驾驶模式都会对元器件的工作状态产生影响。而且，器件在实验室测试得到的数据与实际使用情况往往存在巨大差异。例如，实验室测试通常在相对稳定的环境条件下进行，而汽车在实际行驶中，会面临高温暴晒、低温启动、频繁启停等多种极端情况，这就使得构建一个完全符合实际情况的估计模型变得异常困难。

基于以上情况，在汽车设计初期，工程师应采用简单的方法开展热分析工作。先搭建一个初步的模型框架，对关键参数进行合理估算。随着设计工作的逐步推进，不断收集实际测试数据和反馈信息，对模型进行细化和改进。通过多次迭代优化，使模型越来越接近实际情况，从而获得较为准确的散热分析结果。最终，还需通过一系列严格的实验验证，确保汽车在散热方面的设计质量达到预期标准。

下面介绍汽车稳态散热计算中较为简单的基本计算方法，该方法主要分为三个步骤：

第一步：估计器件的耗散功率，计算产生的热量

汽车中的各种元器件，如发动机控制单元（ECU）、电机控制器、电池管理系统等，在工作过程中都会消耗电能并产生热量。要准确计算这些热量，首先需要估计器件的耗散功率。对于电子元件，可根据其工作电流和电压，利用公式 P=UI（其中 P 为功率，U 为电压，I 为电流）来计算耗散功率。对于一些复杂的电路模块，可采用仿真软件进行模拟分析，获取更精确的耗散功率数据。计算出耗散功率后，根据热功当量关系 Q=Pt（其中 Q 为热量，P 为功率，t 为时间），可得出在一段时间内器件产生的热量。

第二步：估计器件的散热功率，计算能散掉的热量

汽车元器件的散热方式主要包括热传导、热对流和热辐射。在稳态散热情况下，需要综合考虑这三种散热方式的作用。对于热传导，可根据材料的导热系数、散热面积和温度差，利用傅里叶定律计算散热功率。热对流散热功率则与流体的流速、比热容、密度以及换热面积等因素有关，可通过牛顿冷却定律进行计算。热辐射散热功率相对较小，但在高温环境下也不容忽视，可根据斯蒂芬 - 玻尔兹曼定律进行估算。将三种散热方式计算的散热功率相加，即可得到器件的总散热功率，进而根据 Q 散 =P 散 t 计算出在一段时间内能散掉的热量。

第三步：根据模块的环境温度，加上模块内部的空气升温，计算元器件的结温

在已知器件产生的热量和散掉的热量后，结合模块的环境温度，可计算出模块内部的空气升温情况。最后，根据热阻网络模型，考虑器件到周围环境的热阻，将环境温度与模块内部空气升温相加，就能准确计算出元器件的结温。结温是衡量元器件工作状态的重要指标，必须控制在安全范围内，以确保汽车的可靠性和稳定性。

①元器件热损耗功率的简单估算,如表所列,这是利用直流稳态的计算方法。注意,这里考虑器件将所有的功耗全部转化成热量。

事实上,只考虑正常稳定导通状态下的直流分析存在着很大的缺陷,这是因为大多数器件并不是处于一个较为稳定的状态。即使考虑最恶劣的情况,也需要考虑元器件可能处在开关状态中的,甚至可能处理一些不规则的信号,这就造成了一定的误差。因此,往往上面的计算公式只是一个非常粗略的探讨结果,为初期的选型做一个简单的估算。在后面的元器件分析和设计中,将会继续对器件的热损耗功率进行详细的分析和探讨。

②在估算器件的散热功率可以采用热阻作为一种计算方法,它表征了器件阻止热流通过的能力,单位是℃/W(每瓦摄氏度)。将允许的温升除以热阻后,就可以得到器件的散热功率，在说明书中,往往有好几个热阻,对于这些不同的参数,需要注意各自的区别,如图所示

器件内核至外界环境的热阻0A 该热阻值通常指当器件未连散热片或未焊接至印制电路板时的特性值,某些器件是指特定的测试条件下得出的测试数值。器件说明书中的G是根据JESD51标准给出的,其标准环境是指将器件安装在很大的印制电路板上,并置于1立方英尺的静止空气中。使用这个数值往往存在很多的问题,因为实际的环境与测试的环境相差非常大。在较为苛刻的场合,并不能使用该数值进行计算,因为得出的数值是偏小的。不过在目前的简略分析中，一般采用该热阻值进行估算。

特别要注意的是，器件说明书上标注的最大允许耗散功率仅具有参考价值。这是因为该允许功耗数值是在特定测试条件下得出的，通常是在常温环境下测定的，与实际使用场景存在较大差异，所以参考意义有限。通过相关公式计算得出的最大允许功耗，往往比器件说明书中的数值小很多。而且，即便公式计算结果本身就存在一定程度的偏大情况，但相较于说明书数值，仍更贴近实际情况。

热阻相关概念解析

器件内核到器件外壳的热阻（θ c ）θ c 表示散热通路到封装表面的热阻。其测试一般在不使用电路板、器件未焊接的状态下进行。θ c 的值是从器件的封装特性推导出来的，这些特性包括晶圆尺寸、引线框架和外壳材料等。对于特定的器件封装，θ c 是一个固定不变的值，它反映了通过传导方式进行热传递的散热通路热阻。由于测试条件相对单一，不受其他复杂因素干扰，所以θ c 的计算相对准确。

实际热阻与θ c 的差异

实际的热阻（这里用θ表示）涵盖了通过传导、对流、辐射等多种方式进行热传递的散热通路的热阻。由于实验环境与实际使用环境往往存在很大不同，比如实验环境可能是在恒温恒湿的实验室，而实际使用环境可能面临高温、低温、潮湿、灰尘等多种复杂情况，这就导致实际热阻与θ c 存在差异。

器件外壳到外界环境的热阻（θ ca ）θ ca

与模块的通风冷却条件、器件的封装形式、器件在电路板上的固定方式、电路板走线宽度以及外部散热器等因素密切相关。它表征了焊接好的元器件到模块环境的导热通路情况。由于实际使用情况和测试环境差异巨大，实际使用时的θ ca 加上θ c 并不等于器件说明书中的θ JA （器件到环境的总热阻）。

对于大功率器件，通常还会配备散热片。此时存在公式θ cA =θ cs +θ SA ，其中θ cs 是外壳到散热片的热阻，θ SA 是散热片到环境的热阻。在大封装器件的情况下，外壳散热片的热阻θ cs

尤为关键。因为在良好的散热条件下，一般可以认为散热片至环境的热阻θ SA 约等于0。器件内核到印制电路板的热阻（θ jb ）θ jb 这个热阻值并不常见，它定义的是在几乎所有热量都由芯片内核传到测试板的环境下，芯片内核到测试板上的热阻。该热阻基于印制电路板，描述了元器件到电路板之间的散热关系。θ jb

包含两个方面的热阻：一是从器件内核到封装底部参考点的热阻；二是贯穿封装底部的电路板的热阻。

结温相关说明

“结温”一词在各类文献中广泛使用，其原本用于描述PN交界处的温度，传统意义上特指二极管和双极晶体管这两种半导体器件的PN结温度。随着应用范围的拓展，如今元器件的结温指的是元器件内部温度最高的部分。在器件说明书中列举的结温数值是器件的极限温度，在正常工作过程中，绝对不允许达到或者接近这个数值，否则可能会对器件造成永久性损坏，影响其性能和寿命。例如图（此处虽提及图，但未给出具体内容，在实际应用中可结合相应图表进一步说明结温相关情况）所示，就直观呈现了结温与器件正常工作范围的关系。

可以根据两个指标去判断器件的散热情况

PSTRESS热损耗功率/最大的散热功率

derated器件估计的“结温”Tv,=T+Po·GA在传统的汽车电子领域中,不同的零部件厂商会按照设计的不同而有所侧重。通常可分为3种判断的条件:

①最大环境温度&最大电压为16V:在这时认为这是正常可达到的最恶劣的条件,此时判断器件的热设计安全的要求为:PSIREs小于80%,甚至是小于70%,温度余量比极限温度小

15~20 ℃。②最大环境温度&过压电压18V:在这时认为这是模块处在非正常的恶劣条件下,需要保证模块不坏,因此可以不考虑余量。此时判断器件的热设计安全的要求为:PsrEss小于100%,最高温度小于极限温度。

③ 环境温度 55 ℃&.上电电压 24V:在前面的介绍中实验只需要持续1min,因此只考虑短时的情况。此时判断器件的热设计安全的要求为:PSTRESs小于100%,最高温度小于元件所能承受的最高极限温度。为了进一步简化计算过程和减少工作量,可以在EXCEL中编辑公式进行计算。

总结
汽车稳态散热计算对汽车电子及动力系统设计至关重要。其基本方法分三步：先估器件耗散功率算产生热量；再估散热功率算可散热量，综合考虑热传导、对流和辐射；最后结合环境温度等算结温。计算中要注意，说明书上最大允许耗散功率参考价值有限，公式计算值更贴近实际。热阻方面，不同热阻有不同测试条件与影响因素，实际热阻与特定热阻有差异。结温是元器件内部最高温，不能达说明书极限值。还可根据 PSTRESS 和 derated 两个指标判断散热情况，传统汽车电子领域分三种条件判断热设计安全，为简化计算，可在 EXCEL 中编辑公式操作。