電源模塊的散熱設(shè)計

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1、大功率電源模塊的散熱設(shè)計????摘?要：用傳統(tǒng)的熱設(shè)計理論及經(jīng)驗公式對電源模塊內(nèi)的四個50W大功率管進行了散熱設(shè)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(shè)計。???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(fā)熱功率為50W。周圍環(huán)境溫度：+50℃。要求設(shè)計一150mm×200mm的平板肋片式散熱器。?????根據(jù)熱設(shè)計基本理論，功率器件耗散的熱量為：式中，Δt為功率管結(jié)溫與周圍環(huán)境溫度之差，℃；RT為總熱阻，℃/W。?其中，RTj為功率

2、管的內(nèi)熱阻；RTp為器件殼體直接向周圍環(huán)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(tǒng)熱阻降低，保證功率管結(jié)點溫度在允許值之內(nèi)。??2任務分析???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℃。可靠性研究表明，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

3、材散熱器則要求底板豎直放置。設(shè)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(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(shè)計??3.1底板的設(shè)計?????底板的設(shè)計包括底板厚度和底板長高尺寸設(shè)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(jīng)驗公式，底板的高度取為150mm（150和200

4、的較小者）時換熱系數(shù)較大。??3.2肋片厚度的設(shè)計?????無量綱數(shù)畢渥數(shù)（Biot）小于1，即Bi=hδ/2λ<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Bi≤0.25。為了使Bi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δ＝1.5mm。3.3肋間距的設(shè)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(cè))。??3.4肋片高度的設(shè)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

5、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：???Gr為葛拉曉夫數(shù)；?????????D為自然對流時的特征尺寸，D＝150mm＝0.15m；???Δt為壁溫與周圍流體溫度之間的溫差，Δt＝100-50＝50℃；?????β為體積膨脹系數(shù)，β＝2.9575×10-81/K；?????γ為運動粘度，γ＝20.43×10-6m2/s；?????????g為重力加速度，g=9.87m2/s。?????代入數(shù)據(jù)得Gr＝1.1673×10-7，而普朗特數(shù)Pr＝0.7085，故Pr×Gr＝8.2703×105，在1×104～1×109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

6、：式中，h、Δt、D的單位分別取W/（m2?K）、K、m。???代入數(shù)據(jù)，得h＝6.3666W/（m2?K）。再由公式Q＝h×A×Δt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(shè)下進行的，所以必須對散熱器溫度進行核算，以驗證假設(shè)是否與實際相符。???由等截面矩形肋散熱效率計算公式求得：η=散熱面積A＝0.66m2，求得Δt＝Q/(hηA)＝51.2566℃。???肋片溫度t等于環(huán)境溫度與溫升Δt之和，即t＝50+51.

7、2566＝101.2566°C。這表明，所設(shè)計的散熱器在自然冷卻的散熱方式下，高于器件的溫升要求，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(shè)計?????????Icepak求解的一般過程如圖1所示。?????根據(jù)前面的計算結(jié)果，我們在Icepak中建立模型，對上述自然對流計算結(jié)果進行校核。這里需注意cabinet、wall及opening三個基本模型元素的設(shè)定。???