大功率電源模塊的散熱設(shè)計(jì)

1、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對理論計(jì)算進(jìn)行了校核,并對方案進(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;Icepak1 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20mm,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: 式中,t為功率管結(jié)溫與周圍環(huán)境溫度之差,;R T為總熱阻,/W。 其中,R Tj為功率管的內(nèi)熱阻;R Tp為器件殼體

2、直接向周圍環(huán)境的換熱熱阻;R Tc為功率管與散熱器安裝面之間的接觸熱阻;R Tf為散熱器熱阻。旨在盡量減小R Tc和R Tf,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)。?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?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(shí)的接觸熱阻應(yīng)低于100。以下的計(jì)算中暫取10 0。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(jì)中若采用叉指型散熱

3、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(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高尺寸設(shè)計(jì)。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(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

4、數(shù)畢渥數(shù)(Biot小于1 ,即B i=h/2<1為肋片起增強(qiáng)散熱的判據(jù)。實(shí)驗(yàn)證實(shí),對于等截面矩形肋,應(yīng)滿足B i0.25。為了使B i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=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:G r為葛

5、拉曉夫數(shù);?D為自然對流時(shí)的特征尺寸,D=150mm=0.15m;t為壁溫與周圍流體溫度之間的溫差,t=100-50=50;?為體積膨脹系數(shù),=2.9575×10-81/K;?為運(yùn)動粘度,=20.43×10-6 m2/s;?g為重力加速度,g=9.87m2/s。?代入數(shù)據(jù)得G r=1.1673×10-7,而普朗特?cái)?shù)P r=0.7085,故P r×G r=8.2703×105,在1×1041×109之間,判斷流態(tài)為層流。相應(yīng)的對流換熱系數(shù)計(jì)算公式為: 式中,h、t、D的單位分別取W/(m2?K、K、m。代入數(shù)據(jù),得h=6.36

6、66 W/(m2?K。再由公式Q=h ×A×t計(jì)算所需散熱面積(暫時(shí)不考慮肋片效率為0.62828m2。由此確定散熱片肋高d=66.476mm,考慮到肋片效率問題,取70mm。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 =0.66m2,求得t=Q/(hA=51.2566。肋片溫度t等于環(huán)境溫度與溫升t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,高于器

7、件的溫升要求,下面我們再借助Icepak對散熱器的參數(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。4 用Icepak軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?Icepak求解的一般過程如圖1所示。? 根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果,我們在Icepak中建立模型,對上述自然對流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核。這里需注意 ca binet、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(shí)問題、得出較準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果

8、具有非常重要的意義。而cabin et是一個(gè)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(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(shí)體壁面上的開孔。這里無需設(shè)定CM(22walls, 我們在cabinet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

9、(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(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

10、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(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(jì)要求。參考文獻(xiàn)1 D.S.斯坦伯格. 電子