大功率電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計研究

王　麗( 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所, 河北石家莊050081)

摘　要:　大功率電子設(shè)備發(fā)熱量大, 其熱設(shè)計的好壞直接影響系統(tǒng)的可靠性。針對大功率電子設(shè)備的熱設(shè)計問題, 介紹了一種實(shí)用的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計方法。以某工程大功率功放設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計為例, 詳細(xì)闡述了熱設(shè)計方法的選擇以及設(shè)計步驟和設(shè)計過程, 并采用Icepak 熱分析軟件對整機(jī)設(shè)計進(jìn)行熱設(shè)計仿真, 給出合理優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果。經(jīng)過高低溫環(huán)境試驗(yàn)和工程實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證, 證明該設(shè)計方案有效可行。
關(guān)鍵詞　大功率;熱設(shè)計;強(qiáng)迫風(fēng)冷;風(fēng)量;溫度
中圖分類號　TK124 　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼　A 　　　文章編號　1003 - 3106 (2009) 01 - 0061 - 04

Research on Thermal Design of High power Electronic Equipment  WANGLi
( The 54 th Research Institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081 , China)
Abstract 　High2power electronic equipments radiate a great deal heat in work and their functional modes affect directly the reliability of the whole machine. This paper introduces a practical thermal design method of forced air cooling aiming at the thermal design problem of high power electronic equipments. The design method is discussed in detail with an example of thermal design for high power amplifier in a certain project.Advanced thermal modeling software Icepak was used to simulate the project ,it presented an optimal design result. The design scheme is proven feasible by high2low temperature condition test and practical applications.
Key words 　high power ;thermal design ;forced air cooling ;wind flux ;temperature

0 　引言
隨著現(xiàn)代電子設(shè)備對可靠性要求、性能指標(biāo)和功率密度等的進(jìn)一步提高,電子設(shè)備的熱設(shè)計也越來越重要。功率器件是多數(shù)電子設(shè)備中的關(guān)鍵器件,其工作狀態(tài)的好壞直接影響整機(jī)可靠性。功率器件尤其是大功率器件發(fā)熱量大,僅靠封裝外殼散熱無法滿足散熱要求。所以需要選擇合理的散熱和冷卻方法,設(shè)計有效的散熱系統(tǒng),把電子元器件的溫度控制在規(guī)定的數(shù)值之下,在熱源至外部環(huán)境之間提供一條低熱阻通道,以確保熱量能夠順利地散發(fā)出去。
1 　實(shí)例分析
111 　問題描述
某工程大功率功放設(shè)備,要求在環(huán)境溫度55 ℃下工作。根據(jù)指標(biāo)要求,將該設(shè)備設(shè)計成鋁合金鈑金機(jī)箱。由于空間限制,機(jī)箱尺寸定為W ×D ×H = 420 mm ×425 mm ×173 mm。機(jī)箱內(nèi)安裝的主要元件如下: ①一個功放模塊,耗散熱為600 W,可靠工作的基座最高溫度不超過87 ℃; ②一個自帶散熱齒的電源模塊,耗散熱為100 W,其可靠工作最高溫度不超過85 ℃; ③小電源模塊、濾波器、隔離器和衰減器各1 個,其工作保護(hù)溫度均為80 ℃; ④接插件若干。
112 　冷卻方法選擇
電子設(shè)備的熱設(shè)計,首先要從確定設(shè)備的冷卻方法開始,冷卻方法的選擇應(yīng)根據(jù)熱流密度、溫升要求、可靠性要求以及尺寸、重量、經(jīng)濟(jì)性和安全性等因素,選擇最簡單、有效的冷卻方法。該設(shè)備的總熱耗為700 W,擬將其裝在420 mm ×425 mm ×173 mm的機(jī)箱里,熱流密度為01107 8 W/ cm2 ,溫升控制在25～32 ℃,根據(jù)熱流密度和溫升要求選擇強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱工作可靠、易于維修保養(yǎng)、成本相對較低,是一種較好的冷卻方法,所以在需要散熱的電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)中被廣泛采用,同時也是高功率器件采取的主要冷卻形式。
113 　熱設(shè)計步驟
對于具有散熱器的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計比較復(fù)雜,以下就這種相對復(fù)雜的情況給出基本方法和步驟:
①綜合考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)、風(fēng)壓、成本和散熱效率等因素,并結(jié)合Icepak 軟件仿真結(jié)果,確定散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù);
②由發(fā)熱量并根據(jù)熱平衡方程, 初步確定風(fēng)機(jī);
③利用風(fēng)機(jī)和設(shè)計合理的風(fēng)道對整機(jī)進(jìn)行熱設(shè)計;
④利用Icepak 軟件進(jìn)行熱設(shè)計仿真,若最終確定的元器件溫度超過了允許值,則還需調(diào)整散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)、重新選擇風(fēng)機(jī)并重復(fù)上述步驟。最終的設(shè)計使機(jī)箱內(nèi)各器件溫度控制在允許值以下,并達(dá)到散熱系統(tǒng)的最優(yōu)化。
114 　建模
該設(shè)備的主要發(fā)熱模塊是功放模塊和電源模塊。如圖1 所示,在結(jié)構(gòu)設(shè)計時出于電磁屏蔽和隔離熱量考慮,將元器件在機(jī)箱內(nèi)分上下2 層安裝,電源模塊安裝在下層緊挨機(jī)箱底壁,功放模塊和剩余其他模塊以及散熱器安裝在上層,中間用2 mm 隔板隔開,使電源模塊不對其他模塊產(chǎn)生電磁干擾,同時也使功放模塊和電源模塊的熱量互不影響。將功放模塊和濾波器、隔離器等其他一些模塊安裝在散熱器基板上,隔離器、濾波器和衰減器發(fā)熱量小,耐熱性差,故將其安裝在冷卻氣流的入口處,功放模塊發(fā)熱量大,則安裝在冷卻氣流的下游。電源模塊自帶散熱齒,散熱齒向上,具有單獨(dú)的風(fēng)道系統(tǒng)。該設(shè)備的散熱設(shè)計主要針對功放模塊和電源模塊進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計。

115 　散熱器設(shè)計
散熱器的設(shè)計要綜合考慮電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)要求、成本、風(fēng)壓、散熱效率和加工工藝等條件。散熱器的肋片以薄為宜,但過薄則加工困難。在散熱器外形尺寸一定時,肋片間距越小則熱阻越小,但間距過小會增大風(fēng)阻,反而影響散熱。增大肋片高度可增大散熱面積,也就是可增大散熱量。但對于等截面直肋,肋片高度增加到一定程度后,傳熱量就不再增加了,若再繼續(xù)增加肋高,則會導(dǎo)致肋片效率急劇下降,并且會增大風(fēng)阻。
綜合考慮上述原則,本方案選用鋁材散熱器,翅片長度為300 mm。由于主要發(fā)熱模塊是功放模塊,其他模塊發(fā)熱很少,可以忽略不計,所以將散熱器的肋高設(shè)計為不等高。利用Icepak 軟件提供的trials功能,將肋片的厚度、肋間距和肋高等參數(shù)分別設(shè)為變量,然后通過define trials 給該變量賦一系列值,Icepak 將同時計算出厚度、肋間距、肋高為不同值時各種模型的求解結(jié)果。通過比較不同求解結(jié)果可以確定,功放模塊對應(yīng)部分肋高為50 mm、其余模塊對應(yīng)部分肋高為20 mm、肋厚為2 mm、肋間距為6 mm時達(dá)到結(jié)構(gòu)最優(yōu)。另外,為了減小功放模塊和散熱器之間的接觸熱阻,則提高2 個接觸面的加工精度,接觸面涂覆薄層高導(dǎo)熱率導(dǎo)熱脂。
116 　風(fēng)機(jī)選擇
假設(shè)散熱器設(shè)計合理,那么散熱器可以將發(fā)熱量傳遞到散熱空間。所選風(fēng)機(jī)將熱量排出設(shè)備外,風(fēng)機(jī)的風(fēng)量應(yīng)能將全部發(fā)熱量帶走.

117 　整機(jī)風(fēng)道設(shè)計
風(fēng)道設(shè)計的基本原則如下:
①應(yīng)盡量增大穿過散熱器肋片間的空氣流量和流速,以提高散熱效果;
②要減少風(fēng)道風(fēng)阻,以防止氣流的壓力損失過大;
③出口風(fēng)道還應(yīng)保證熱氣流能順利排出。
基于上述原則設(shè)計風(fēng)道,整機(jī)的風(fēng)道及氣體流動路徑如圖3 所示。為提高肋間空氣流速,將機(jī)箱內(nèi)散熱齒以外的空余部分多用擋風(fēng)板擋住,使冷卻空氣盡量通過散熱器肋間,但為了減小風(fēng)阻,增大進(jìn)入功放模塊對應(yīng)肋片間風(fēng)量,散熱器中間肋高為20 mm的部分不能擋住。為保證氣流順利排出風(fēng)機(jī),在靠近風(fēng)機(jī)出口處安裝導(dǎo)風(fēng)板。另外為了保證設(shè)備電磁兼容性,在通風(fēng)孔處應(yīng)安裝屏蔽網(wǎng)。
2 　熱設(shè)計仿真
該設(shè)備熱設(shè)計采用熱分析軟件Icepak 進(jìn)行了仿真。Icepak 軟件是目前較流行的、專業(yè)的、面向工程師的電子產(chǎn)品熱分析軟件之一,利用它可比較真實(shí)地模擬系統(tǒng)的熱狀況,在設(shè)計過程中就能預(yù)測到各元器件的工作溫度值,這樣就可糾正不合理的布排,取得良好的布局,從而縮短設(shè)計的研制周期,降低成本,提高產(chǎn)品一次成功率。其次,經(jīng)過若干次的改進(jìn)設(shè)計,可以對電子設(shè)備進(jìn)行有效的熱控制,使它在規(guī)定的溫度極限內(nèi)工作,從而可以提高電子設(shè)備的可靠性。
211 　仿真結(jié)果
Icepak 仿真結(jié)果如下:
風(fēng)機(jī)1 工作點(diǎn):體積流量為01023 15 m3/ s ,壓降為301206 N/ m2 ;
風(fēng)機(jī)2 工作點(diǎn):體積流量為01024 63 m3/ s ,壓降為281769 N/ m2 ;
風(fēng)機(jī)3 工作點(diǎn):體積流量為01024 55 m3/ s ,壓降為281846 N/ m2 。
Icepak 給出的各器件最高溫度報告如下:
電源模塊66161 ℃;功放模塊78185 ℃;散熱器基板78185 ℃;小電源68107 ℃;隔板66156 ℃;隔離器64174 ℃;濾波器6617 ℃;衰減器65171 ℃。
通過對仿真結(jié)果分析可知:
風(fēng)機(jī)總風(fēng)量= 01023 15 + 01024 63 + 01024 55 =01072 33 m3/ s > 01061 4 m3/ s 滿足機(jī)箱風(fēng)量需求,各風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)均位于風(fēng)機(jī)特性曲線的右下部,工作效率較高,說明風(fēng)機(jī)選擇合理;各元器件的最高溫度都已在指標(biāo)要求范圍內(nèi),滿足指標(biāo)要求,說明散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,否則需要重新進(jìn)行選擇設(shè)計。

212 　工程驗(yàn)證
按上面的熱設(shè)計方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計,在整機(jī)加工調(diào)試完成后,按照環(huán)境試驗(yàn)要求進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)、高低溫存儲及高低溫工作試驗(yàn)。在高溫工作階段,當(dāng)溫箱內(nèi)部溫度升至+ 55 ℃時,設(shè)備工作正常,并通過預(yù)埋的溫度傳感器探測到功放基座溫度為+ 7915 ℃,滿足功放+ 87 ℃可靠工作的基座最高溫度指標(biāo)要求,該數(shù)值和仿真設(shè)計數(shù)據(jù)接近。設(shè)備交付用戶后,經(jīng)多次工作實(shí)踐證明,設(shè)備的實(shí)際散熱能力與熱分析相符,滿足使用需求。
3 　結(jié)束語
大功率電子設(shè)備的散熱設(shè)計比較復(fù)雜,按照上面給出的這種設(shè)計回溯方法,若仿真計算出某一環(huán)節(jié)選擇或設(shè)計不合理,可以根據(jù)仿真結(jié)果,修改某一環(huán)節(jié)選擇或設(shè)計的不合理之處,重復(fù)設(shè)計、計算和仿真過程,最終確定合理的散熱系統(tǒng)設(shè)計。經(jīng)過產(chǎn)品的使用驗(yàn)證,用此方法設(shè)計的大功率功放設(shè)備散熱效果好,設(shè)備工作性能穩(wěn)定,滿足了廣大用戶對設(shè)備可靠性要求高的條件。實(shí)踐證明,這里提出的散熱設(shè)計方法是一種實(shí)用有效的熱設(shè)計方法。

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作者簡介
王　麗　女, (1971 - ) ,中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所工程師。主要研究方向:電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱設(shè)計等。

熱設(shè)計論文下載：大功率晶體管和集成電路的熱過程分析.pdf

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