大功率電源模塊的散熱設計

中心議題：

溫度控制

解決方案

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（在同一平面上，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面之間的接觸熱阻，RTf 為散熱器熱阻。本文旨在盡量減小RTc 和RTf，使系統熱阻降低，保證功率管結點溫度在允許值之內。

h、Δt、D的單位分別取K m W 2 / 、K、m。代入數據，得h＝6.3666 K m W 2 / 。再由公式Q＝ h w A w Δt計算所需散熱面積（暫時不考慮肋片效率）為0.62828 2 m 。由此確定散熱片肋高d ＝ 66.476mm，考慮到肋片效率問題，取70mm。

任務分析

功率管的溫度控制，主要是控制功率管的結溫。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，對于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）應低于100℃。以下的計算中暫取100℃。

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。設計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單，應優先考慮。又考慮到性價比及加工工藝性，故采用鋁合金作為散熱器的材料。

散熱器設計

1、底板的設計

底板的設計包括底板厚度和底板長高尺寸設計。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。查閱部分國家標準，取散熱器底板厚度為6mm。根據經驗公式，底板的高度取為150mm（150和200的較小者）時換熱系數較大。

2、肋片厚度的設計

無量綱數畢渥數（Biot）小于1 ，即Bi=hδ/2λ1為肋片起增強散熱的判據。實驗證實，對于等截面矩形肋，應滿足Bi≤0.25。為了使Bi數較小，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、肋間距的設計

當散熱器尺寸一定時，減小肋片間距，則肋化系數增加，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。根據這一肋片間距，散熱器上共可布置30片肋片(分布于兩側)。

4、肋片高度的設計

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境溫度的平均值75°C，即：

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----體積膨脹系數， β ＝2.9575w10-8 1／K;

γ----運動粘度， γ ＝20.43w10-6 s m / 2 ;

g----重力加速度,g=9.87 2 / s m ;

代入數據得Gr＝1.1673w10-7，而普朗特數Pr＝0.7085，故Pr× Gr＝8.2703w105，在1w104～1w109 之間，判斷流態為層流。相應的對流換熱系數計算公式為

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5、 散熱器的校核計算

由于上述計算過程均是在散熱器底板溫度為100°C 的假設下進行的，所以必須對散熱器溫度進行核算

，以驗證假設是否與實際相符。

由等截面矩形肋散熱效率計算公式求得：

散熱面積A＝0.66 2 m ，求得Δt＝ Q／( h ηA)＝51.2566 °C。肋片溫度t 等于環境溫度與溫升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，略高于器件的溫升要求，下面我們再借助ICEPAK對散熱器的參數進行優化，并采用強迫風冷，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、機柜等，常需用walls 來模擬實體邊界，可以使其尺寸小于cabinet。我們可以對wall 定義厚度、溫度、表面換熱系數、熱流密度等參數來模擬機柜外殼的物理特性。而如何設定上述參數，對于客觀、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面上的開孔。相對于無表面換熱的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 的六個面上依次創建了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 分鐘。從圖1 可以看出：功率管表面的最高溫度為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云圖

盡管散熱器的參數優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，我們考慮強迫風冷的散熱方式。在上述計算模型的基礎上，我們在垂直方向設定流體的流速為1.5m/s , 即在散熱器底部送風，其他參數不變。我們注意到，此時系統給出的流態為紊流。在初始條件中作相應的調整后，最終求得的器件表面最高溫度約為89°C。散熱器底板截面溫度圖及橫向風速云圖分別見圖2、3。

圖2 強迫對流條件下功率管散熱的溫度云圖

圖3 強迫對流條件下功率管散熱的風速云圖

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余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，表面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：矩形等截面肋；

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。