大功率電源模塊的散熱設(shè)計(jì)

中心議題：

溫度控制

解決方案

散熱器設(shè)計(jì)

用Icepak軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

電源模塊內(nèi)有四個(gè)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(jì)一150mm×200mm 的平板肋片式散熱器。

根據(jù)熱設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)算所需散熱面積（暫時(shí)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(wèn)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(duì)于使用功率元件的電子設(shè)備長(zhǎng)期通電使殼體溫度超過(guò)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(shí)的接觸熱阻）應(yīng)低于100℃。以下的計(jì)算中暫取100℃。

常用散熱器主要有叉指型和型材兩種。對(duì)于叉指散熱器，叉指向上對(duì)散熱較為有利；而型材散熱器則要求底板豎直放置。設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，應(yīng)優(yōu)先考慮。又考慮到性價(jià)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(jì)

1、底板的設(shè)計(jì)

底板的設(shè)計(jì)包括底板厚度和底板長(zhǎng)高尺寸設(shè)計(jì)。在底板材料確定的條件下，底板的厚度會(huì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，取散熱器底板厚度為6mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，底板的高度取為150mm（150和200的較小者）時(shí)換熱系數(shù)較大。

2、肋片厚度的設(shè)計(jì)

無(wú)量綱數(shù)畢渥數(shù)（Biot）小于1 ，即Bi=hδ/2λ1為肋片起增強(qiáng)散熱的判據(jù)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，對(duì)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(guò)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(jì)

當(dāng)散熱器尺寸一定時(shí)，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(guò)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(jì)

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(duì)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(duì)流時(shí)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(yùn)動(dòng)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?cái)?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(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算公式為

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5、 散熱器的校核計(jì)算

由于上述計(jì)算過(guò)程均是在散熱器底板溫度為100°C 的假設(shè)下進(jìn)行的，所以必須對(duì)散熱器溫度進(jìn)行核算

，以驗(yàn)證假設(shè)是否與實(shí)際相符。

由等截面矩形肋散熱效率計(jì)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(jì)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?cè)俳柚鶬CEPAK對(duì)散熱器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，以期得到更低的肋片溫度。

用Icepak軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

ICEPAK 求解的一般過(guò)程如下：

項(xiàng)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(wèn)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(wèn)題時(shí)，如插箱、機(jī)柜等，常需用walls 來(lái)模擬實(shí)體邊界，可以使其尺寸小于cabinet。我們可以對(duì)wall 定義厚度、溫度、表面換熱系數(shù)、熱流密度等參數(shù)來(lái)模擬機(jī)柜外殼的物理特性。而如何設(shè)定上述參數(shù)，對(duì)于客觀、科學(xué)的模擬現(xiàn)實(shí)問(wèn)題、得出較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)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(lái)表示實(shí)體壁面上的開孔。相對(duì)于無(wú)表面換熱的cabinet 而言，opening 則是熱量交換的重要門戶。本文中無(wú)需設(shè)定walls, 我們?cè)赾abinet 的六個(gè)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(duì)求解參數(shù)的默認(rèn)設(shè)置，求解過(guò)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(gè)openings ,迭代次數(shù)為140），與理論計(jì)算值相符。改變模型中的相關(guān)參數(shù)，我們對(duì)散熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(guò)度減小肋片間距， 最終取8.6mm 。

圖1 自然對(duì)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(duì)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(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式。在上述計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，我們?cè)诖怪狈较蛟O(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(shí)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(jiàn)圖2、3。

圖2 強(qiáng)迫對(duì)流條件下功率管散熱的溫度云圖

圖3 強(qiáng)迫對(duì)流條件下功率管散熱的風(fēng)速云圖

在求解過(guò)程中我們注意到：迭代的次數(shù)對(duì)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(jìn)一步深入探討。.

結(jié)論

本文對(duì)四個(gè)50W 的大功率管進(jìn)行了散熱設(shè)計(jì)。最終采取空氣強(qiáng)迫對(duì)流方式。散熱器采用鋁合金，用型材加工，表面作黑色陽(yáng)極氧化處理，具體尺寸如下：

底板規(guī)格：150mm（高）×200mm（長(zhǎng)）×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(duì)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(jì)要求。