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影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析

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影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析

Analysis of Geometric Factors on Effect Upon the Capability of Heat Sink of Power Component
FU Gui-cui , GAO Ze-xi ( Beijing University of Aeronautics and Astronautics , Dept . of Systems Engineering , Beijing 100083 , China)

Abstract :  Heat sink consist of base and fin , the main parameters include the length of fin , the thickness of fin , the thickness of base and the width of base. Introduces the geometric structure of heat sink and researches  on the geometric factors effecting the capability of heat sink. Investigate that thermal resistance can be lowered effectively by changing the geometric parameters of heat sink and get better effect . Provides the gist for the choice and the optimization of heat sink.

Key words :  power component ; thermal design ; heat sink ; thermal resistance
EEACC:  8550

影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析  付桂翠, 高泽溪 (北京航空航天大学, 工程系统工程系,北京 100083)

摘要:型材散热器的几何结构由肋片和基座构成,主要几何参数包括肋片长、肋片厚,肋片数、基座厚、基座宽等,研究了型材散热器几何因素对其热性能的影响,通过改变散热器的几何参数,可以有效的降低散热器的热阻,获得好的散热效果。本文的研究为型材散热器的的选择及优化设计提供了依据。

关键词:功率器件;热设计;散热器;热阻

中图分类号:TN305194 ;TN609    文献标识码:A    文章编号:1005 - 9490 (2003) 04 - 0354 - 03
  功率器件是多数电子设备中的关键器件,其工作状态的好坏直接影响整机可靠性。功率器件尤其是大功率器件发热量大,仅靠封装外壳散热无法满足散热要求,需要配置合理散热器有效散热,而散热器的选择是否合理又直接影响功率器件的可靠性,因此分析影响散热器散热性能的因素,有利于合理选取散热器,提高功率器件的可靠性[1 ] 。
1  散热器的选择
  在电子设备热设计中,型材散热器由于结构简单,加工方便、散热效果好而得到了广泛的应用,其物理模型示意图如图1 所示[2 ] 。
它由肋片和基座构成,主要的几何参数包括肋片长、肋片厚,肋片数、基座厚、基座宽等。在选择散热器时一般需要依据散热器热阻来合理选择,同时还需要考虑以下几点:安装散热器允许的空间、气流流量和散热器的成本等。散热器散热的效果与散热器热阻的大小密切相关,而散热器的热阻除了与散热器材料有关之外,还与散热器的形状、尺寸大小以及安装方式和环境通风条件等有关,目前没有精确的数学表达式能够用来计算散热器的热阻,通常是通过实际测量得到。而散热器的有效面积与散热器几何参数密切相关[3 ] 。

2  影响散热器散热性能的几何因素分析
  通过实验发现,散热器的几何因素对散热器的散热性能有很大的影响,现以一典型型材散热器为例,分析散热器各几何参数对散热器散热性能的影响。
选定某一功率器件(LM317) 为热源,其工作电路原理图如图2 所示。工作在自然冷却条件下,环境温度为30 ℃,功耗为312 W,选取的散热器为型材散热器SYX- YDE(物理模型如图3 所示) ,散热器各个几何参数如表1 所示。

表1  散热器相关几何参数
肋片长mm 肋片厚mm 肋片高 mm 基座长mm 基座厚mm 肋片个数
44        2         9        75          4        8
热源与散热器表面为金属与金属的干接触,无绝缘片也未涂硅脂或导热胶,查有关手册取热源与散热器之间的接触热阻为019 ℃/ W。通过散热器设计分析软件进行初步分析,散热器优化设计分析软件采用的是美国Flunt 公司的Qfin 软件,它采用计算流体动力学求解器,有限体积法,非结构化网格可以逼近复杂的几何形状,同时能实现散热器肋片高度、长度等几何参数的优化。
通过散热器优化设计分析软件得到的散热器和热源相关热参数见表2。

表2  未改变散热器任何参数时得到的有关热参数
散热器热阻℃PW 散热器最高温度℃ 热源结温℃
7. 03           52. 7             68. 37
下面具体分析改变散热器各几何参数对散热器性能的影响。
选定散热器热阻为优化目标,利用散热器优化设计软件,设定散热器某一几何参数为优化变量,比较优化前后几何参数的变化及对散热器热阻的影响。
1)  散热器肋片长度的影响
在散热器优化设计软件中,按照建模向导,其他几何参数和环境条件均保持不变,分析肋片长度不同时,散热器热阻和热源结温的变化,得到如表3 分析结果。
表3  改变肋片长度时分析结果比较
从表中数据可看出,肋片长度适当增加能减小器件结温,但是过分增加肋片长度不能确保热量传导至散热器肋片的末端,因此使传热受到影响,不能大大降低结温,反而使散热器重量增加太多。一般认为散热器的肋片长度和基座宽度之比接近1 传热较好。
2)  散热器肋片厚度的影响
选定散热器热阻为优化目标,肋片厚度为优化变量,其他几何参数及环境条件均保持不变。为了保证散热器肋片的硬度,且易于加工,肋片厚度不能太薄,工程上一般设定肋片厚度≥1mm。按照上述条件,同理得到分析结果如表4 :
表4  改变肋片厚度时分析结果比较

由于导热主要沿着肋片的纵向方向,因而肋片的厚度对散热器热性能没有太大的影响,肋片厚度的增加并没有使热源结温降低很多,反而增加了散热器的重量。同时改变散热器肋片厚度也大大增加了加工难度。因此,一般散热器进行工程优化,并不选定散热器的肋片厚度为优化目标。
3)  散热器肋片高度的影响
在散热器优化设计软件中,按照建模向导,分别新建肋片高度为5mm 和18mm 的散热器模型,其他几何参数和环境条件均保持不变,分析肋片高度不同时,散热器热阻和热源结温的变化,得到如表5 分析结果。
表5  改变肋片高度时分析结果比较
由表中可以看出肋片高度对散热器热性能有很大影响,一般随着肋片高度的增加,器件的热量更易通过肋片散至周围空间。但是如果肋片高度过高,散热器体积增加太多,不符合航空航天设备体积小,重量轻的要求,因此散热器肋片高度不宜过高。一般肋片的高度加倍,则散热能力为原来114倍。选定优化目标为散热器热阻,优化变量为散热器肋片高度,得到优化结果如表6 所示。
表6  片高度优化结果比较
4)  散热器肋片个数的影响
选定散热器热阻为优化目标,肋片个数为优化变量,其他几何参数及环境条件均保持不变,得到如表7 所示分析结果:
表7  改变肋片个数时分析结果比较
一般随着肋片数目的增多热源结温会有所降低,但是超过某一数值后随着肋片的增多器件结温没有明显变化,而散热器重量明显增加。同时肋片数目增加有时还要考虑器件安装的问题,有的器件安装在散热器两肋片之间,如果肋片数太多,器件不易安装在散热器上。因而不能盲目增加肋片的数目。
5)  散热器材料及辐射的影响
散热器以对流和辐射形式散热。在自然对流情况下,应考虑辐射的影响,这里边界条件考虑的是自然对流及辐射,散热器的材料不同时引起散热器导热系数的变化。仍旧选定散热器热阻为优化目标,选定散热器材料为铜或铝,得到如下分析结果:
表8  改变散热器材料时分析结果比较

 由上表数据可知,散热器材料选取铜或者铝对于散热器性能并没有太大影响,这表明限制散热器热阻的一般是固体- 流体表面的热阻。如果散热器表面未进行氧化处理,对于散热器热阻和性能有较大影响。所以散热器一般都要进行煮黑氧化处理,降低散热器热阻,减小热源结温,使得器件更安全可靠工作。

3  误差分析
  选取热源与散热器上的若干点,分别进行软件模拟分析与实际热测量, 热测量采用的是HP34970A 温度测量仪,测温误差为±015 ℃,得到的结果见表9 所示:
表9  模拟分析与实际测量温度对照表

4  小 结
  在上述改变散热器各几何参数中,并没有改变基座的几何参数,由于散热器主要是靠肋片增加散热器表面积达到有效散热,基座对于散热器的影响并不明显。而且改变基座的尺寸在工程实际中不易实现,还会使散热器成本太高。因此一般散热器优化设计时不考虑散热器基座的尺寸。
综合以上数据分析可知,散热器肋片的厚度对散热器性能的影响不如散热器其他几何参数的影响明显。而肋片高度对散热器散热性能的影响比肋片长度影响大,适当增加散热器肋片的长度、高度和厚度可以增加散热面积,改善散热效果,但散热器尺寸大到一定程度时,对于散热器散热性能的影响不明显,还会增加体积、重量和成本。因此,在进行散热器优化设计时,应考虑影响散热器散热性能的主要因素,合理选择散热器的几何尺寸,在保证散热器体积小、重量轻的情况下达到最佳的散热效果。

参考文献:
[1 ]  余建祖. 电子设备热设计及分析技术[M] ,北京航空航天大学. 2000.
[2 ]  王健石. 半导体器件散热器图册[M] ,中国标准出版社. 1995.
[3 ]  Seri Lee , Optimum Design and Selection of Heat Sink [J ] ,1995 ,IEEE Trans on Components ,Packing ,and ,ManufacturingTechnology ,PartA ,1995 ,8 (4) :812 - 816.

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