大功率电源模块的散热设计

热设计 2020-12-15

1 引言

电源模块内有四个功率管（在同一平面上，分成两排），其两两间距为 60mm，管径 Φ20mm，每一功率管的发热功率为 50W。周围环境温度：+50℃。要求设计一 150mm×200mm 的平板肋片式散热器。

根据热设计基本理论，功率器件耗散的热量为：

式中，Δt 为功率管结温与周围环境温度之差，℃；RT为总热阻，℃/W。

其中，RTj为功率管的内热阻；RTp为器件壳体直接向周围环境的换热热阻；RTc为功率管与散热器安装面之间的接触热阻；RTf为散热器热阻。旨在尽量减小 RTc和 RTf，使系统热阻降低，保证功率管结点温度在允许值之内。

2 任务分析

功率管的温度控制，主要是控制功率管的结温。生产厂一般将器件的最高结温规定为 90℃-150℃。可靠性研究表明，对于使用功率元件的电子设备长期通电使壳体温度超过 100℃，将导致故障率大大增加。故要求功率管壳体温度，即散热器底板温度（先忽略安装时的接触热阻）应低于 100℃。以下的计算中暂取 100℃。常用散热器主要有叉指型和型材两种。对于叉指散热器，叉指向上对散热较为有利；而型材散热器则要求底板竖直放置。设计中若采用叉指型散热器，则 200mm×150mm 的底板占用水平空间较大，不利于 PCB 板的排放，故采用型材散热器。型材散热器按照肋片的形式可分为矩形肋、梯形肋、三角形类、凹抛物线肋等。其中，矩形肋的加工方法最为简单，应优先考虑。又考虑到性价比及加工工艺性，故采用铝合金作为散热器的材料。

3 散热器设计

3.1 底板的设计

底板的设计包括底板厚度和底板长高尺寸设计。在底板材料确定的条件下，底板的厚度会影响其本身的热阻，从而影响散热器底板的温度分布和均匀性。查阅部分国家标准，取散热器底板厚度为 6mm。根据经验公式，底板的高度取为 150mm（150 和 200 的较小者）时换热系数较大。

3.2 肋片厚度的设计

无量纲数毕渥数（Biot）小于 1 ，即 Bi=hδ/2λ<1 为肋片起增强散热的判据。实验证实，对于等截面矩形肋，应满足 Bi≤0.25。为了使 Bi数较小，肋片以薄为宜,但如果肋片厚度过小，将给加工增加困难，取平均肋片厚度 δ＝1.5mm。

3.3 肋间距的设计

当散热器尺寸一定时，减小肋片间距，则肋化系数增加，热阻降低；但由于流体的粘滞作用，肋间距过小将引起换热效果变差。取肋片间距为 1.2cm。根据这一肋片间距，散热器上共可布置 30 片肋片(分布于两侧)。

3.4 肋片高度的设计

肋片及底板的散热可近似看作自由空间垂直平壁的自然对流换热。定性温度取散热器和环境温度的平均值 75°C，即：

3.5 散热器的校核计算

4 用 Icepak 软件进行优化设计

Icepak 求解的一般过程如图 1 所示。

根据前面的计算结果，我们在 Icepak 中建立模型，对上述自然对流计算结果进行校核。这里需注意 ca binet、wall 及 opening 三个基本模型元素的设定。

例如，在求解一边界条件已知的封闭体的散热问题时，如插箱、机柜等，常需用 walls 来模拟实体边界。我们可以对 wall 定义厚度、温度、表面换热系数、热流密度等参数来模拟机柜外壳的物理特性。而如何设定上述参数，对于客观、科学的模拟现实问题、得出较准确的预测结果具有非常重要的意义。而 cabinet 是一个自动生成、不可删除、无厚度、无表面换热的求解物理边界，其他任何实体模型元素一般均不允许超出此边界。cabinet 的大小直接影响系统所给出的瑞利数（自然对流）及雷诺数（强迫对流），从而直接影响着换热流体的流态。openings 则明确定义了热源区域同外部环境的换热通道，它一般用来表示实体壁面上的开孔。这里无需设定[CM（22]walls, 我们在 cabinet 的六个面上依次创建了 opening , 表示求解区域同外部环境之间的空气流通和热量交换的通道。

保持 Icepak 对求解参数的默认设置，求解过程约需 40 分钟。结果显示：功率管表面的最高温度为 102 °C（迭代次数为 140），与理论计算值相符。改变模型中的相关参数，对散热器进行了优化设计，结果表明：散热器底板厚度为 6mm 比较适合，另外，不宜为了增加肋片数目而过度减小肋片间距，最终取 8.6mm。散热器热设计模型及风速云图如图 2 所示。

尽管散热器的参数优化对温升控制略有改善，但仍不能满足功率管的可靠性要求，因此，考虑强迫风冷的散热方式。在上述计算模型的基础上，我们在垂直方向设定流体的流速为 1.5m/s , 即在散热器底部送风，其它参数不变。我们注意到，此时系统给出的流态为紊流。在初始条件中作相应的调整后，最终求得的器件表面最高温度约为 89°C。并可用彩色模式显示出散热器底板截面温度图及横向风速云图。

在求解过程中我们注意到：迭代的次数对最终结果有比较大的影响，因此如何恰当设定迭代的次数及残余误差值得进一步深入探讨。

5 结论

对四个 50W 的大功率管进行了散热设计，最终采取空气强迫对流方式。散热器采用铝合金，用型材加工，表面作黑色阳极氧化处理，具体尺寸如下：

底板规格：150mm（高）×200mm（长）×6mm（厚）；

肋片形式：矩形等截面肋；

肋片厚度：1.5mm；

肋片间距：8.6mm（共 36 片肋片）；

肋片高度：70mm。

在自然冷却的条件下，功率管的壳温约为 102℃，对应的散热器热阻为 0.26 ℃/W ；在 1.5m/s 的风冷条件下，功率管的壳温约为 89℃，散热器热阻则为 0.20 ℃/W, 满足设计要求。

参考文献

1 D.S.斯坦伯格. 电子设备冷却技术. 北京：航空工业出版社，1989

2 谢德仁. 电子设备热设计. 南京：东南大学出版社，1989