母排的載流、發熱及優化

作者：上海鷹峰電子科技有限公司 王偉旭

    0 引言

    你見過電流在母排中是如何“流動”和“分布”的嗎？

    你又可曾見過無數電子穿過擁擠的通道時的“發紅發熱”？

    如果你是“電子”，你愿意在母排上一片藍色荒蕪郊區的“鬼域”里“漫步”嗎？

    1 母排的載流

    當電流流過母排（Busbar）時，在導體上會產生電流密度分布。圖1給出了仿真的一款母排極板的電流密度值及矢量分布。

    由圖1可以清晰地看出，電流自導體的首端流向尾端，電流密度矢量如同水流一般在導體內部分布。當電流密度矢量遇到“障礙物”時，則輕巧地繞過它而繼續行進。

    2 母排的發熱

    電阻率是用來表示物質電阻特性的物理量，是導體本身的基本屬性，用符號ρ表示。電流流經疊層母排導體時，會產生一定的熱量。導體單位體積內產生的熱量（即發熱功率密度）可用式(1)來計算：
(1)

    p ——單位體積內產生的熱量，W/m³；

    j ——電流密度，A/m²；

    ρ ——導體的電阻率，Ω·m。

    由式(1)可知，在電流密度分布相同的情況下，導體的電阻率越高，其發熱量越大。因此，在溫升為關鍵制約因素的疊層母排設計過程中，應優先選擇電阻率小的導體材料。母排導體的發熱功率密度和穩態溫升也可用軟件來仿真計算。圖2為仿真的以上款母排導體的發熱功率密度分布，圖3則為仿真的30℃環境和自然對流條件下此母排導體的穩態溫度分布。

圖2 母排發熱功率密度分布

圖3 母排穩態溫度分布

    另外，根據公式(1)同樣可以得出：在電阻率不變的情況下，導體的電流密度越大，其發熱量也越大。以下將對導體的電流密度對穩態溫升的影響進行仿真研究，圖4給出了一塊中間帶有狹窄通道的銅導體的仿真模型及邊界條件。

圖4 銅導體仿真模型及邊界條件

    圖5給出了當輸入電流i為100A情況下，銅導體的發熱功率密度及穩態溫度分布。由此可知，銅導體中間狹窄段的發熱功率密度和溫度最高。擁擠的通道引發高密度電流分布，一如交通的阻塞。如何降低母排導體的溫升，轉換為如何合理設計導體的電流密度。

    圖6則給出了仿真的銅導體的最高溫度隨輸入電流i的變化曲線。仿真驗證了“在電阻率不變的情況下，導體的電流密度越大，其發熱量越大”的結論。

圖6 銅導體最高溫度隨輸入電流變化曲線