自然空氣冷卻情況下功率器件散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)
龍 昊，付桂翠，高澤溪

（北京航空航天大學(xué)工程系統(tǒng)工程系，北京 100083）
摘要:介紹了功率器件散熱器的散熱原理，提出散熱器的優(yōu)化問題。敘述了功率器件在自然空氣冷卻狀態(tài)下如何初選散熱器，并采用散熱器優(yōu)化軟件對散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。討論了散熱器的理論優(yōu)化和工程優(yōu)化的不同，在工程實(shí)際情況下功率器件如何與散熱器達(dá)到最優(yōu)匹配；還分析了不同工作狀態(tài)下界面熱阻、功耗和熱輻射等因素對散熱效果的影響。
關(guān)鍵詞: 熱設(shè)計(jì),熱阻,散熱器,優(yōu)化,Qfin
中圖分類號: TN305.94；TN609 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-2028（2003）03-0018-04
The Optimum Thermal Design of Heat Sinks in the Cooled by Natural Convection

LONG Hao, FU Gui-cui, GAO Ze-xi
(Department of Systems Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China)

Abstract: The working principle of heat sinks is explained. The selection of heat sinks for power components cooled by natural convection is discussed. Computer software was used in the optimization of the heat sinks. The differences between the theoretical optimization and the practical optimization are compared. The optimized match of power components with the heat sinks in practical working situations is also discussed. The effects of interface resistance, power and thermal radiation on cooling in various environments are analyzed.
Key words: thermal design; thermal resistance; heat sinks; optimization,Qfin

隨著現(xiàn)代電子設(shè)備對可靠性要求、性能指標(biāo)、功率密度等的進(jìn)一步提高，電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)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，需要配置合理散熱器進(jìn)行有效散熱。以前所
探討的散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，單純從散熱器的熱阻方面考慮其散熱性能，但是當(dāng)器件安裝散熱器之后，要考慮的是在器件允許結(jié)溫范圍內(nèi)，散熱器和功率器件的最優(yōu)匹配，以使散熱器重量輕，體積小，成本低。

1 功率器件散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)
經(jīng)過初選合適散熱器，功率器件的結(jié)溫可降低至允許范圍內(nèi)。但是所選散熱器可能體積太大，無法滿足工程實(shí)際要求。功率器件結(jié)溫在允許范圍內(nèi)，散熱器體積最小可認(rèn)為達(dá)到優(yōu)化。優(yōu)化散熱器的流程圖如圖1 所示
1.1 功率器件散熱器熱阻網(wǎng)絡(luò)及熱阻計(jì)算分析
功率器件裝上散熱器后，其散熱途徑將會有所變化。內(nèi)熱阻RTj 保持不變，器件的熱量一方面通過外殼直接向周圍傳遞，其熱阻為RTp；另一方面熱量傳給散熱器，熱阻為RTc，然后由散熱器再把熱量發(fā)散
1.2 散熱器的選取

2 散熱器優(yōu)化結(jié)果分析
經(jīng)過初選合適散熱器以后，功率器件通過散熱器散熱之后結(jié)溫降低至允許結(jié)溫之內(nèi)。但是所選散熱器可能散熱面積太大，重量較重，使得成本太高，并未實(shí)現(xiàn)散熱器的優(yōu)化，功率器件與散熱器沒有達(dá)到最優(yōu)匹配。當(dāng)功率器件在安全結(jié)溫工作時，所優(yōu)化的散熱器的散熱面積應(yīng)達(dá)到最優(yōu)，同時能保證功率器件安全可靠工作?？紤]到實(shí)際的工程誤差，取安全結(jié)溫比允許結(jié)溫點(diǎn)低10℃左右，例中取安全結(jié)溫95℃。
散熱器優(yōu)化軟件采用Fluent 公司的Qfin 軟件，它是專門的散熱器優(yōu)化軟件，采用計(jì)算流體動力學(xué)求解器，有限體積法非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以逼近復(fù)雜的幾何形狀，同時實(shí)現(xiàn)散熱器肋片高度，長度等幾何參數(shù)的優(yōu)化。散熱器的優(yōu)化問題是一個有約束的多變量非線性問題。優(yōu)化目標(biāo)選定為散熱器的質(zhì)量；優(yōu)化變量為設(shè)計(jì)者可控制的散熱器的幾何參數(shù)，包括肋片的厚度、高度、長度以及基座厚度和寬度等，考慮到散熱器的強(qiáng)度和加工方便，取定肋片厚度≥1 mm，基座厚度≥2 mm，其他環(huán)境條件及輸入變量如前所述。表2 是未優(yōu)化原型和優(yōu)化后的結(jié)果比較。優(yōu)化后的散熱器散熱器面積減小，質(zhì)量減輕，散熱器的熱阻相應(yīng)增大，但是器件結(jié)溫仍舊在安全結(jié)溫以內(nèi)，因此器件可以正?？煽康毓ぷ鳎瑢?shí)現(xiàn)了器件與散熱器理想優(yōu)化。理想優(yōu)化在實(shí)際工程中不常采用，但是對于某些航空航天設(shè)備要求體積盡可能小，質(zhì)量盡可能輕，則需散熱器廠商按照優(yōu)化尺寸重新設(shè)計(jì)散熱器以滿足器件和散熱器的最優(yōu)匹配。在工程優(yōu)化時，需要考慮的是改變易于制造的幾何參數(shù)進(jìn)行散熱器的優(yōu)化，比如散熱器的肋片長度或者高度等。

3 影響功率器件散熱的其他因素分析
在不同的工作狀態(tài)下，散熱器的散熱效果不同，對散熱器的選擇和優(yōu)化有很大影響，例如，高溫環(huán)境下可能所選散熱器不能達(dá)到功率器件的散熱要求，使得器件損壞。影響散熱器的散熱效果的因素較多，現(xiàn)主要介紹界面熱阻，功耗以及輻射的影響。
（1）界面熱阻的影響
功率器件加了散熱器之后，系統(tǒng)總熱阻，包括功率器件內(nèi)熱阻、界面熱阻以及散熱器熱阻。通過散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)可以降低散熱器熱阻。界面熱阻，包括接觸熱阻和絕緣襯墊熱阻。接觸熱阻的影響因素較為復(fù)雜，沒有具體的公式，只有根據(jù)實(shí)驗(yàn)或參考實(shí)測數(shù)據(jù)來選擇。減小接觸熱阻，可以采取的措施有：加大接觸面之間的壓力；提高接觸面的加工精度；接觸表面之間加導(dǎo)熱襯墊，一般而言，在接觸面涂覆硅脂，可使接觸熱阻降低20%~50%。在功率混合集成電路與散熱器要絕緣的情況下，則要考慮絕緣襯墊熱阻，它取決于絕緣片的類型和厚度，公式如下：

式中：Rkc 為絕緣襯墊熱阻（℃/W）；S 為有效接觸面積（cm2）；d 為絕緣片厚度（mm）；K 為絕緣片的熱導(dǎo)率[2]。
（2）功耗的影響
器件的功耗越大，發(fā)熱量也越多，功耗太大使得散熱器溫升超過允許范圍，無法滿足散熱要求。本文例中選取型材散熱器SRX—YDE，熱源功耗不同時分析結(jié)果如表3 所示。

（3）輻射的影響
散熱器是以對流和輻射形式散熱的，在自然對流情況下應(yīng)考慮輻射散熱的影響。當(dāng)其他條件未變（熱源功耗為3.25W，采用型材散熱器SRX—YDE，環(huán)境溫度為30.8℃）時，考慮和不考慮輻射分析結(jié)果如表4 所示。

從表5 看出：環(huán)境溫度對器件結(jié)溫的影響很大。
因此，在不同的環(huán)境溫度，要經(jīng)過試驗(yàn)，合理選擇相應(yīng)的散熱器才能使功率器件更有效散熱。

4 結(jié)束語
功率器件是電子設(shè)備中發(fā)熱較多的重要器件，必需采用散熱器，保障器件正常工作。針對功率器件散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出工程優(yōu)化，即保證功率器件在安全結(jié)溫下正常工作，同時散熱器的優(yōu)化不能單純以熱阻最小為優(yōu)化目標(biāo)，還要考慮散熱器的強(qiáng)度和加工工藝等因素，對散熱器的散熱面積或者質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。
在進(jìn)行散熱器的選取和優(yōu)化時，也不可忽視功率器件在不同工作狀態(tài)下，對散熱器散熱效果的影響。

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（編輯：朱盈權(quán)）

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