大功率電源模塊的散熱設(shè)計(jì)
摘 要：用傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)理論及經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)電源模塊內(nèi)的四個(gè)50W 大功率管進(jìn)行了散熱設(shè)計(jì)，應(yīng)用熱分析軟件Icepak 對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行了校核,并對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：功率管散熱；散熱器；熱分析軟件；Icepak
1 引言
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。
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℃?？煽啃匝芯勘砻鳎瑢?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。
3 散熱器設(shè)計(jì)
3.1 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。
3.2 肋片厚度的設(shè)計(jì)
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(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(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(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，
3.5 散熱器的校核計(jì)算
由于上述計(jì)算過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。
4 用Icepak 軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)
根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果，我們?cè)贗cepak 中建立模型，對(duì)上述自然對(duì)流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核。這里需注意 cabinet、wall 及opening 三個(gè)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(shí)，如插箱、機(jī)柜等，常需用walls 來模擬實(shí)體邊界。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)問題、得出較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果具有非常重要的意義。而cabinet 是一個(gè)自動(dòng)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(shí)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(duì)流）及雷諾數(shù)（強(qiáng)迫對(duì)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(shí)體壁面上的開孔。這里無需設(shè)定[CM（22]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(jì)算值相符。改變模型中的相關(guān)參數(shù)，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)目而過度減小肋片間距，最終取8.6mm。
散熱器熱設(shè)計(jì)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(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，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)，其它參數(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。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(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。
5 結(jié)論
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：1.5mm；
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(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。
參考文獻(xiàn)
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