【关键词】功率电子电路；散热分析；电磁兼容；多通道散热；电磁屏蔽

引言

随着功率电子技术的快速发展，电路集成度不断提高，器件发热密度随之增大，散热问题逐渐成为制约功率电子电路发展的关键因素。同时，开关频率的提升导致电磁干扰加剧，对周边电子设备产生不利影响。针对这些问题，深入研究功率电子电路的散热特性和电磁兼容机理具有重要意义。通过建立热分析模型，优化散热结构设计，采用新型散热材料，提高散热效率，并结合电磁场仿真分析，从干扰源、传播路径和敏感设备三个层面，系统研究电磁兼容问题，提出相应的抑制和防护方案，为功率电子电路的可靠运行提供技术支持。

一、功率电子电路的散热机理与分析

（一）功率电子器件热损耗特性

功率电子器件在工作过程中产生的热损耗主要来源于导通损耗和开关损耗。导通损耗由器件内部电阻与通过电流共同决定，功率器件在导通状态下表现出欧姆特性，电流通过内部等效电阻产生焦耳热；开关损耗则发生在器件开关过渡过程中，由于电压与电流的交叠效应导致瞬时功率损耗。以绝缘栅双极晶体管（Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT）为例，其关断过程中尾电流与电压重叠时间达到400 ns，导致单次开关损耗显著增加，器件结温随着开关频率提高而升高，当开关频率达到20 kHz时，结温可达125℃。对于大功率变流器，多个功率器件并联运行时，发热密度更为集中，散热压力随之增大，热损耗分布具有明显的空间非均匀性，芯片中心区域温度往往高于边缘区域，温度梯度可达每毫米20℃，功率器件长期在高温环境下工作，将加速器件老化，降低使用寿命，因此准确掌握功率电子器件的热损耗特性，对于散热系统设计和可靠性评估具有重要意义[1]。

（二）散热传递机制研究

散热传递机制包括热传导、热对流和热辐射三种基本方式，热传导是固体内部热量传递的主要方式。其传热效率取决于材料的导热系数。铜、铝等金属材料导热系数较高，常用作散热基板和散热器。热对流发生在固体表面与流体之间，强制对流的散热效果优于自然对流，散热器表面的翅片结构可增大与空气的接触面积，提高对流换热效率。热辐射则通过电磁波形式向外传递热量，在高温条件下占据重要地位，功率器件产生的热量需经过芯片、焊层、基板等多层结构传递至散热器，各界面间的热阻影响传热效率。导热硅脂等导热填充材料可降低接触热阻，改善界面传热性能，散热系统的总体热阻由各部分热阻串并联组成，其中芯片至散热器的热阻路径对温升影响最大，在自然对流条件下，散热器至环境的对流换热系数约为15 W/（m2·K），通过合理设计散热结构，优化传热路径，可有效降低器件结温，保障系统可靠运行。

二、散热优化设计与实现

（一）散热结构设计方案

功率电子电路散热结构设计需要在散热效率、空间利用率和经济性之间寻求最佳平衡点。传统平板式散热器虽然具有加工简单、成本低廉的特点，但其散热面积受限，制约了散热性能的提升。针状散热器通过垂直布置的细长翅片提高了与空气的接触面积，其翅片的高度、厚度和间距直接影响散热效果。叉指状散热器采用特殊的交错排列方式，使气流在流经翅片时产生强烈的湍流效应，显著增强了对流换热系数。蜂窝状散热器则采用六边形通道结构，在单位体积内获得最大的散热面积，但其复杂的内部结构对加工精度和工艺水平提出了较高要求。

针对大功率密度应用场景，先进散热结构的开发显得尤为重要。微通道散热结构通过在基板内部加工微细流道，实现了传热面积的数量级提升，其流道的横截面积通常在0.1 mm2至1 mm2范围内。水冷散热结构利用水的比热容大、导热系数高等特点，可以实现极高的散热效率，特别适用于高功率密度场合。热管散热器内部工质的相变过程提供了额外的传热通道，其等效导热系数可达纯铜的数十倍。复合散热结构通过组合不同散热方式的优势，如将热管嵌入翅片基座，或将微通道与相变材料结合，可以在特定应用条件下发挥最佳散热效果。各类散热结构的选择需要充分考虑实际应用环境、安装空间、散热要求等多个因素，通过结构参数优化和仿真验证，最终确定最适合的散热方案[2]。