大功率電源模塊的散熱設計

熱設計 2024-11-26

1 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 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：

式中，Δt 為功率管結溫與周圍環境溫度之差，℃；RT為總熱阻，℃/W。

其中，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。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。

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。

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。

3.2 肋片厚度的設計

無量綱數畢渥數（Biot）小于 1 ，即 Bi=hδ/2λ<1 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。

3.3 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)。

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境溫度的平均值 75°C，即：

3.5 散熱器的校核計算

4 用 Icepak 軟件進行優化設計

Icepak 求解的一般過程如圖 1 所示。

根據前面的計算結果，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、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。而 cabinet 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所給出的瑞利數（自然對流）及雷諾數（強迫對流），從而直接影響著換熱流體的流態。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。這里無需設定[CM（22]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。結果顯示：功率管表面的最高溫度為 102 °C（迭代次數為 140），與理論計算值相符。改變模型中的相關參數，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。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，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。并可用彩色模式顯示出散熱器底板截面溫度圖及橫向風速云圖。

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。

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. 電子設備冷卻技術. 北京：航空工業出版社，1989

2 謝德仁. 電子設備熱設計. 南京：東南大學出版社，1989