大功率電源模塊的散熱設計
發布時間:2011-04-01
- 溫度控製
- 散熱器設計
- 用Icepak軟件進行優化設計
電源模塊內有四個功率管(在同一平麵上,分成兩排),其兩兩間距為60mm,管徑Φ20mm,每一功率管的發熱功率為50W。周圍環境溫度:+50℃。要求設計一150mm×200mm 的平板肋片式散熱器。
根據熱設計基本理論,功率器件耗散的熱量為
Pc=Δt/RT (W) (1)
式中,Δt 為功率管結溫與周圍環境溫度之差,℃;RT 為總熱阻,℃/W;

RTj 為功率管的內熱阻,RTp 為器件殼體直接向周圍環境的換熱熱阻,RTc 為功率管與散熱器安裝麵之間的接觸熱阻,RTf 為散熱器熱阻。本文旨在盡量減小RTc 和RTf,使係統熱阻降低,保證功率管結點溫度在允許值之內。
任務分析
功率管的溫度控製,主要是控製功率管的結溫。生產廠一般將器件的最高結溫規定為90℃-150℃。可靠性研究表明,對於使用功率元件的電子設備長期通電使殼體溫度超過100℃,將導致故障率大大增加。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)應低於100℃。以下的計算中暫取100℃。
散熱器設計
1、底板的設計
dibandeshejibaokuodibanhouduhedibanchanggaochicunsheji。zaidibancailiaoquedingdetiaojianxia,dibandehouduhuiyingxiangqibenshenderezu,congeryingxiangsanreqidibandewendufenbuhejunyunxing。zhayuebufenguojiabiaozhun,qusanreqidibanhouduwei6mm。根據經驗公式,底板的高度取為150mm(150和200的較小者)時換熱係數較大。
2、肋片厚度的設計
3、肋間距的設計
4、肋片高度的設計

式中:
Gr----葛拉曉夫數;
D----自然對流時的特征尺寸, D=150mm=0.15m;
Δt----壁溫與周圍流體溫度之間的溫差, Δt=100-50=50 °C;
β----體積膨脹係數, β =2.9575╳10-8 1/K;
γ----運動粘度, γ =20.43╳10-6 s m / 2 ;
g----重力加速度,g=9.87 2 / s m ;
代入數據得Gr=1.1673╳10-7,而普朗特數Pr=0.7085,故Pr× Gr=8.2703╳105,在1╳104~1╳109 之間,判斷流態為層流。相應的對流換熱係數計算公式為
5、 散熱器的校核計算
由等截麵矩形肋散熱效率計算公式求得:

散熱麵積A=0.66 2 m ,求得Δt= Q/( h ηA)=51.2566 °C。肋片溫度t 等於環境溫度與溫升Δt之和,即t=50+51.2566=101.2566°C;這表明,所設計的散熱器在自然冷卻的散熱方式下,略高於器件的溫升要求,下麵我們再借助ICEPAK對散熱器的參數進行優化,並采用強迫風冷,以期得到更低的肋片溫度。
用Icepak軟件進行優化設計
ICEPAK 求解的一般過程如下:
項目命名—>設定初始參數—>建立模型—>網格劃分—>網格檢查—>校核流態—>問題求解—>結果顯示
在求解一邊界條件已知的封閉體的散熱問題時,如插箱、機櫃等,常需用walls 來模擬實體邊界,可以使其尺寸小於cabinet。我們可以對wall 定義厚度、溫度、表麵換熱係數、熱流密度等參數來模擬機櫃外殼的物理特性。而如何設定上述參數,對於客觀、科學的模擬現實問題、得出較準確的預測結果具有非常重要的意義。
Openings 則明確定義了熱源區域同外部環境的換熱通道,它一般用來表示實體壁麵上的開孔。相對於無表麵換熱的cabinet 而言,opening 則是熱量交換的重要門戶。本文中無需設定walls, 我們在cabinet 的六個麵上依次創建了opening , 表示求解區域同外部環境之間的空氣流通和熱量交換的通道。
保持ICEPAK 對求解參數的默認設置,求解過程約需40 分鍾。從圖1 可以看出:功率管表麵的最高溫度為102°C(模型中有六個openings ,迭代次數為140),與理論計算值相符。改變模型中的相關參數,我們對散熱器進行了優化設計,結果表明:散熱器底板厚度為6mm比較適合, 另外, 不宜為了增加肋片數目而過度減小肋片間距, 最終取8.6mm 。


圖1 自然對流條件下功率管散熱的溫度與風速雲圖
jinguansanreqidecanshuyouhuaduiwenshengkongzhilveyougaishan,danrengbunengmanzugonglvguandekekaoxingyaoqiu,yinci,womenkaolvqiangpofenglengdesanrefangshi。zaishangshujisuanmoxingdejichushang,womenzaichuizhifangxiangshedingliutideliusuwei1.5m/s , jizaisanreqidibusongfeng,qitacanshububian。womenzhuyidao,cishixitonggeichudeliutaiweiwenliu。zaichushitiaojianzhongzuoxiangyingdetiaozhenghou,zuizhongqiudedeqijianbiaomianzuigaowenduyuewei89°C。散熱器底板截麵溫度圖及橫向風速雲圖分別見圖2、3。

圖2 強迫對流條件下功率管散熱的溫度雲圖

圖3 強迫對流條件下功率管散熱的風速雲圖
在求解過程中我們注意到:迭代的次數對最終結果有比較大的影響,因此如何恰當設定迭代的次數及殘餘誤差值得進一步深入探討。.
結論
本文對四個50W 的大功率管進行了散熱設計。最終采取空氣強迫對流方式。散熱器采用鋁合金,用型材加工,表麵作黑色陽極氧化處理,具體尺寸如下:
底板規格:150mm(高)×200mm(長)×6mm(厚);
肋片形式:矩形等截麵肋;
肋片厚度:1.3mm;
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℃,對應的散熱器熱阻為0.26 ℃/W ;在1.5m/s 的風冷條件下,功率管的殼溫約為89℃,散熱器熱阻則為0.20 ℃/W, 滿足設計要求。
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