电力电子装置的环境主要指电力电子所处的位置和状态引起的空间、水上和地面的各种环境。环境包括一年四季的气温、海拔、振动。电力电子装置的环境适应性是其装置可靠性的一个重要指标。

国家和行业标准中规定了不同标准的热环境：包括高压直流输电（HVDC）换流站、风电逆变器、SVC、太阳能逆变器和高压变频的热环境。高压直流输电（HVDC）换流站可靠性的评估指南［60］中把阀冷系统作为可靠性指标，其相关的参数包括泵、风扇、换热器。

国标GB／T 30425－2013规定了户内、外环境［61］：户外最低环境温度为－40℃，最高环境温度为＋45℃；户内阀冷却设备间温度为＋5～＋40℃，相对湿度不大于90％［（20±5）℃时］。

热设计包括热设计基本要求、热设计中应考虑的问题、热设计的步骤、冷却方式的选择。各种热设计参考书对热设计做了不同的要求，其中较多的参考了MIL－HDBK－251和国内军标GJB／Z 27－1992　电子设备可靠性设计手册［1－3，6，7，62］。

1.热设计的基本要求

一般电力电子设备需要考虑三大关键问题：机械应力、热应力和电磁作用力，电力电子设备的热设计也是根据上述问题进行的。目前没有电力电子热设计的基本标准，一般的基本要求可以参考对电子设备的热设计而定。在设计中一般有两种，一种是以客户为导向，另一种以国家标准和行业标准为导向。

1）电力半导体器件用散热器热设计应满足设备可靠性的要求。大多数电子元器件过早失效的主要原因是由于过应力（即电、热或机械应力）。电应力和热应力之间存在紧密的内在联系，减小电应力（降额）会使热应力得到相应的降低，从而提高器件的可靠性。应根据所要求的设备可靠性和分配给每个元器件的失效率，利用元器件应力分析预计法，确定元器件的最高允许工作温度和功耗。

2）热设计应满足设备预期工作的热环境的要求。电子设备预期工作的热环境包括：环境温度和压力（或高度）的极限值；环境温度和压力（或高度）的变化率；太阳或周围其他物体的辐射热载荷；可利用的热沉状况（包括种类、温度、压力和湿度等）；冷却剂的种类、温度适用范围、压力和允许的压降。

3）热设计应满足对冷却系统的限制要求，包括：供冷却系统使用的电源的限制（交流或直流及功率）；对强迫冷却设备的振动和噪声的限制；对强迫空气冷却设备的空气出口温度的限制；对冷却系统的结构限制（包括安装条件、密封、体积和质量等）。

4）热设计应符合与其相关的标准、规范规定的要求。

2.热设计应考虑的问题

电力电子的热设计包括系统级设计和元件级设计。电力电子的系统级热设计从整体角度来看待，其应考虑的问题可以参考GJB／Z 27－1992，热设计应考虑的问题汇总见表3－1。

表3－1 热设计应考虑的问题汇总

元件级设计主要包括换热器如电力半导体散热器、外冷却器，动力元件如风机、水泵连接部件如管道、阀门等。(www.daowen.com)

3.热设计步骤

电力电子设备的热设计步骤可参考GJB／Z 27－1992，根据不同的要求可以参考HVDC 相关的标准GB／T 30425－2013，SVC相关的标准DL／T 1010.5－2006等标准。

1）熟悉和掌握与热设计有关的标准、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。

2）确定可利用的冷却技术和限制条件。

3）对每个元器件进行应力分析，并根据设备可靠性及分配给每个元器件的失效率，确定每个元器件的最高允许温度。确定每个发热元器件的功耗。

4）画出热电模拟网络图。

5）由元器件的内热阻确定其最高表面温度。

6）确定器件表面至散热器或冷却剂所需的回路总热阻。

7）根据热流密度和有关因素，对热阻进行分析和初步分配。

8）对初步分配的各类热阻进行评估，以确定这种分配是否合理。并确定可以采用的或允许采用的冷却技术是否能够达到这些要求。

9）选择使用于回路中每种热阻的冷却技术或传热方法。

10）估算所选冷却方案的成本，研究其他冷却方案，进行对比，以便找到最佳方案。

11）热设计的同时，还应考虑可靠性、安全性、维修性及电磁兼容设计。