大功率電源模塊的散熱設計

1、大功率電源模塊的散熱設計摘 要:用傳統(tǒng)的熱設計理論及經驗公式對電源模塊內的四個50W大功率管進行了散熱設計,應用熱分析軟件Icepak對理論計算進行了校核,并對方案進行了優(yōu)化設計。關鍵詞:功率管散熱;散熱器;熱分析軟件;Icepak1 引言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。要求設計一150mm×200mm的平板肋片式散熱器。?根據(jù)熱設計基本理論,功率器件耗散的熱量為: 式中,t為功率管結溫與周圍環(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,保證功率管結點溫度在允許值之內。?2 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(guī)定為90-150?？煽啃匝芯勘砻?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。設計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,應優(yōu)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。?3 散熱器設計?3.1 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(jù)經驗公式,底板的高度取為150mm(150和200的較小者時換熱系數(shù)較大。?3.2 肋片厚度的設計?無量綱

4、數(shù)畢渥數(shù)(Biot小于1 ,即B i=h/2<1為肋片起增強散熱的判據(jù)。實驗證實,對于等截面矩形肋,應滿足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 肋間距的設計當散熱器尺寸一定時,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。?3.4 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(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,而普朗特數(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。相應的對流換熱系數(shù)計算公式為: 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計算所需散熱面積(暫時不考慮肋片效率為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 =0.66m2,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,所設計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)進行優(yōu)化,并采用強迫風冷,以期得到更低的肋片溫度。4 用Icepak軟件進行優(yōu)化設計?Icepak求解的一般過程如圖1所示。? 根據(jù)前面的計算結果,我們在Icepak中建立模型,對上述自然對流計算結果進行校核。這里需注意 ca binet、wall及opening 三個基本模型元素的設定。?例如,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。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)來模擬機柜外殼的物理特性。而如何設定上述參數(shù),對于客觀、科學的模擬現(xiàn)實問題、得出較準確的預測結果

8、具有非常重要的意義。而cabin et是一個自動生成、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,它一般用來表示實體壁面上的開孔。這里無需設定CM(22walls, 我們在cabinet的六個面上依次創(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)的默認設置,求解過程約需40分鐘。結果顯示:功率管表面的最高溫度為102°C

9、(迭代次數(shù)為140,與理論計算值相符。改變模型中的相關參數(shù),對散熱器進行了優(yōu)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(shù)目而過度減小肋片間距,最終取8.6mm。散熱器熱設計模型及風速云圖如圖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,其它參數(shù)不變。我們注意到,此時系統(tǒng)給出的流態(tài)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。并可用彩色模式顯示出散熱器底板截面溫度圖及橫

10、向風速云圖。?在求解過程中我們注意到:迭代的次數(shù)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(shù)及殘余誤差值得進一步深入探討。?5 結論?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(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。參考文獻1 D.S.斯坦伯格. 電子