大功率電源模塊的散熱設(shè)計

熱設(shè)計 2024-11-26

1 引言

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：

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。

其中，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。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)。

2 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℃。可靠性研究表明，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。

3 散熱器設(shè)計

3.1 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。

3.2 肋片厚度的設(shè)計

無量綱數(shù)畢渥數(shù)（Biot）小于 1 ，即 Bi=hδ/2λ<1 為肋片起增強(qiáng)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。

3.3 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))。

3.4 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：

3.5 散熱器的校核計算

4 用 Icepak 軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計

Icepak 求解的一般過程如圖 1 所示。

根據(jù)前面的計算結(jié)果，我們在 Icepak 中建立模型，對上述自然對流計算結(jié)果進(jìn)行校核。這里需注意 ca binet、wall 及 opening 三個基本模型元素的設(shè)定。

例如，在求解一邊界條件已知的封閉體的散熱問題時，如插箱、機(jī)柜等，常需用 walls 來模擬實體邊界。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(jī)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。而 cabinet 是一個自動生成、不可刪除、無厚度、無表面換熱的求解物理邊界，其他任何實體模型元素一般均不允許超出此邊界。cabinet 的大小直接影響系統(tǒng)所給出的瑞利數(shù)（自然對流）及雷諾數(shù)（強(qiáng)迫對流），從而直接影響著換熱流體的流態(tài)。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。這里無需設(shè)定[CM（22]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(rèn)設(shè)置，求解過程約需 40 分鐘。結(jié)果顯示：功率管表面的最高溫度為 102 °C（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)，對散熱器進(jìn)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。散熱器熱設(shè)計模型及風(fēng)速云圖如圖 2 所示。

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，考慮強(qiáng)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)，其它參數(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。并可用彩色模式顯示出散熱器底板截面溫度圖及橫向風(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(jìn)一步深入探討。

5 結(jié)論

對四個 50W 的大功率管進(jìn)行了散熱設(shè)計，最終采取空氣強(qiáng)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：1.5mm；

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。

參考文獻(xiàn)

1 D.S.斯坦伯格. 電子設(shè)備冷卻技術(shù). 北京：航空工業(yè)出版社，1989

2 謝德仁. 電子設(shè)備熱設(shè)計. 南京：東南大學(xué)出版社，1989