大功率電源模塊的散熱設(shè)計
中心議題:
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/177160.htm溫度控制
解決方案
用Icepak軟件進行優(yōu)化設(shè)計
電源模塊內(nèi)有四個功率管(在同一平面上,分成兩排),其兩兩間距為60mm,管徑Φ20mm,每一功率管的發(fā)熱功率為50W。周圍環(huán)境溫度:+50℃。要求設(shè)計一150mm×200mm 的平板肋片式散熱器。
根據(jù)熱設(shè)計基本理論,功率器件耗散的熱量為
Pc=Δt/RT (W) (1)
式中,Δt 為功率管結(jié)溫與周圍環(huán)境溫度之差,℃;RT 為總熱阻,℃/W;
RTj 為功率管的內(nèi)熱阻,RTp 為器件殼體直接向周圍環(huán)境的換熱熱阻,RTc 為功率管與散熱器安裝面之間的接觸熱阻,RTf 為散熱器熱阻。本文旨在盡量減小RTc 和RTf,使系統(tǒng)熱阻降低,保證功率管結(jié)點溫度在允許值之內(nèi)。
h、Δt、D的單位分別取K m W 2 / 、K、m。代入數(shù)據(jù),得h=6.3666 K m W 2 / 。再由公式Q= h w A w Δt計算所需散熱面積(暫時不考慮肋片效率)為0.62828 2 m 。由此確定散熱片肋高d = 66.476mm,考慮到肋片效率問題,取70mm。
任務(wù)分析
功率管的溫度控制,主要是控制功率管的結(jié)溫。生產(chǎn)廠一般將器件的最高結(jié)溫規(guī)定為90℃-150℃??煽啃匝芯勘砻?,對于使用功率元件的電子設(shè)備長期通電使殼體溫度超過100℃,將導(dǎo)致故障率大大增加。故要求功率管殼體溫度,即散熱器底板溫度(先忽略安裝時的接觸熱阻)應(yīng)低于100℃。以下的計算中暫取100℃。
常用散熱器主要有叉指型和型材兩種。對于叉指散熱器,叉指向上對散熱較為有利;而型材散熱器則要求底板豎直放置。設(shè)計中若采用叉指型散熱器,則200mm×150mm的底板占用水平空間較大,不利于PCB板的排放,故采用型材散熱器。型材散熱器按照肋片的形式可分為矩形肋、梯形肋、三角形類、凹拋物線肋等。其中,矩形肋的加工方法最為簡單,應(yīng)優(yōu)先考慮。又考慮到性價比及加工工藝性,故采用鋁合金作為散熱器的材料。
散熱器設(shè)計
1、底板的設(shè)計
底板的設(shè)計包括底板厚度和底板長高尺寸設(shè)計。在底板材料確定的條件下,底板的厚度會影響其本身的熱阻,從而影響散熱器底板的溫度分布和均勻性。查閱部分國家標(biāo)準(zhǔn),取散熱器底板厚度為6mm。根據(jù)經(jīng)驗公式,底板的高度取為150mm(150和200的較小者)時換熱系數(shù)較大。
2、肋片厚度的設(shè)計
無量綱數(shù)畢渥數(shù)(Biot)小于1 ,即Bi=hδ/2λ1為肋片起增強散熱的判據(jù)。實驗證實,對于等截面矩形肋,應(yīng)滿足Bi≤0.25。為了使Bi數(shù)較小,肋片以薄為宜,但如果肋片厚度過小,將給加工增加困難,取平均肋片厚度δ=1.5mm。
3、肋間距的設(shè)計
當(dāng)散熱器尺寸一定時,減小肋片間距,則肋化系數(shù)增加,熱阻降低;但由于流體的粘滯作用,肋間距過小將引起換熱效果變差。取肋片間距為1.2cm。根據(jù)這一肋片間距,散熱器上共可布置30片肋片(分布于兩側(cè))。
4、肋片高度的設(shè)計
肋片及底板的散熱可近似看作自由空間垂直平壁的自然對流換熱。定性溫度取散熱器和環(huán)境溫度的平均值75°C,即:
式中:
Gr----葛拉曉夫數(shù);
D----自然對流時的特征尺寸, D=150mm=0.15m;
Δt----壁溫與周圍流體溫度之間的溫差, Δt=100-50=50 °C;
β----體積膨脹系數(shù), β =2.9575w10-8 1/K;
γ----運動粘度, γ =20.43w10-6 s m / 2 ;
g----重力加速度,g=9.87 2 / s m ;
代入數(shù)據(jù)得Gr=1.1673w10-7,而普朗特數(shù)Pr=0.7085,故Pr× Gr=8.2703w105,在1w104~1w109 之間,判斷流態(tài)為層流。相應(yīng)的對流換熱系數(shù)計算公式為
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5、 散熱器的校核計算
由于上述計算過程均是在散熱器底板溫度為100°C 的假設(shè)下進行的,所以必須對散熱器溫度進行核算
,以驗證假設(shè)是否與實際相符。
由等截面矩形肋散熱效率計算公式求得:
散熱面積A=0.66 2 m ,求得Δt= Q/( h ηA)=51.2566 °C。肋片溫度t 等于環(huán)境溫度與溫升Δt之和,即t=50+51.2566=101.2566°C;這表明,所設(shè)計的散熱器在自然冷卻的散熱方式下,略高于器件的溫升要求,下面我們再借助ICEPAK對散熱器的參數(shù)進行優(yōu)化,并采用強迫風(fēng)冷,以期得到更低的肋片溫度。
用Icepak軟件進行優(yōu)化設(shè)計
ICEPAK 求解的一般過程如下:
項目命名—>設(shè)定初始參數(shù)—>建立模型—>網(wǎng)格劃分—>網(wǎng)格檢查—>校核流態(tài)—>問題求解—>結(jié)果顯示
在求解一邊界條件已知的封閉體的散熱問題時,如插箱、機柜等,常需用walls 來模擬實體邊界,可以使其尺寸小于cabinet。我們可以對wall 定義厚度、溫度、表面換熱系數(shù)、熱流密度等參數(shù)來模擬機柜外殼的物理特性。而如何設(shè)定上述參數(shù),對于客觀、科學(xué)的模擬現(xiàn)實問題、得出較準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果具有非常重要的意義。
Openings 則明確定義了熱源區(qū)域同外部環(huán)境的換熱通道,它一般用來表示實體壁面上的開孔。相對于無表面換熱的cabinet 而言,opening 則是熱量交換的重要門戶。本文中無需設(shè)定walls, 我們在cabinet 的六個面上依次創(chuàng)建了opening , 表示求解區(qū)域同外部環(huán)境之間的空氣流通和熱量交換的通道。
保持ICEPAK 對求解參數(shù)的默認設(shè)置,求解過程約需40 分鐘。從圖1 可以看出:功率管表面的最高溫度為102°C(模型中有六個openings ,迭代次數(shù)為140),與理論計算值相符。改變模型中的相關(guān)參數(shù),我們對散熱器進行了優(yōu)化設(shè)計,結(jié)果表明:散熱器底板厚度為6mm比較適合, 另外, 不宜為了增加肋片數(shù)目而過度減小肋片間距, 最終取8.6mm 。
圖1 自然對流條件下功率管散熱的溫度與風(fēng)速云圖
盡管散熱器的參數(shù)優(yōu)化對溫升控制略有改善,但仍不能滿足功率管的可靠性要求,因此,我們考慮強迫風(fēng)冷的散熱方式。在上述計算模型的基礎(chǔ)上,我們在垂直方向設(shè)定流體的流速為1.5m/s , 即在散熱器底部送風(fēng),其他參數(shù)不變。我們注意到,此時系統(tǒng)給出的流態(tài)為紊流。在初始條件中作相應(yīng)的調(diào)整后,最終求得的器件表面最高溫度約為89°C。散熱器底板截面溫度圖及橫向風(fēng)速云圖分別見圖2、3。
圖2 強迫對流條件下功率管散熱的溫度云圖
圖3 強迫對流條件下功率管散熱的風(fēng)速云圖
在求解過程中我們注意到:迭代的次數(shù)對最終結(jié)果有比較大的影響,因此如何恰當(dāng)設(shè)定迭代的次數(shù)及殘余誤差值得進一步深入探討。.
結(jié)論
本文對四個50W 的大功率管進行了散熱設(shè)計。最終采取空氣強迫對流方式。散熱器采用鋁合金,用型材加工,表面作黑色陽極氧化處理,具體尺寸如下:
底板規(guī)格:150mm(高)×200mm(長)×6mm(厚);
肋片形式:矩形等截面肋;
肋片厚度:1.3mm;
肋片間距:8.6mm(共36 片肋片);
肋片高度:70mm;
在自然冷卻的條件下,功率管的殼溫約為102℃,對應(yīng)的散熱器熱阻為0.26 ℃/W ;在1.5m/s 的風(fēng)冷條件下,功率管的殼溫約為89℃,散熱器熱阻則為0.20 ℃/W, 滿足設(shè)計要求。
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