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摘要：针对强迫风冷电源中功率器件密度日益增高，热流密度增大，高温环境下易出现热失效，需在降额温度之下工作的问题，研究其整机热分析及机箱散热器结构优化设计。首先基于各功率器件热耗、机箱散热器结构、环境边界条件等参数，利用CAE仿真软件建立符合物理模型的仿真模型，并进行热仿真分析，得到温度分布云图；然后分析基板厚度、鳍片形状等结构尺寸参数对电源散热性能的影响，同时对散热器结构尺寸进行优化，并确定了散热器最优结构。最后建立了基于散热器最优结构的实体样机，开展高温实验。通过实验数据与仿真数据对比分析，得出最大误差仅为3.5%的结果，证实了计算结果的准确性。结果表明：利用软件进行热仿真及散热器优化的举措是可靠的，且优化后的散热器满足功率器件的降额要求及电源机箱的散热需求。研究结果体现了散热仿真分析的必要性，为风冷机箱的应用提供理论和实践支持。
关键词：强迫风冷；热设计；仿真；散热器优化；可靠性
0引言
电源是电子设备中不可或缺的部分，随着电子技术的发展，电源的应用场景和性能需求不断增加，热流密度及热耗不断增大[1]。尤其是在电子工业和通信技术等领域，高密度集成电路及电源功率器件在高温环境下容易出现热失效[2]。研究表明，电源的失效55%是由温度引起的[3]。“10℃法则”也明确指出：半导体器件的温度每升高10℃,其可靠性就会降低50%[4-5]。目前强迫风冷是电源常用的散热方式，具有成本低、易维护等特点[6]，但是风冷散热数值计算较为复杂，综合考虑因素较多，因此需要通过仿真软件进行数值模拟。
某CAE仿真软件是快速对电子设备进行热仿真的主流软件，能够快速建立仿真模型，具有优化电源散热设计、避免过热问题、提高系统性能、节约成本时间及辅助设计决策的特点[7]。国内外做了大量关于使用仿真软件对电子设备热仿真的研究。高春伦等[8]使用仿真软件对风门作动器PCB板的散热性能进行仿真分析，通过优化散热器结构尺寸，提高了PCB板的散热效果，提高了风门作动器的可靠性；J S Y等[9]使用仿真软件对强迫风冷电子设备机箱的热仿真进行分析，研究了不同翅片尺寸参数对机箱内部温度、压降和热阻的影响，为电子机箱设计提供了一定的参考。但是单一的仿真分析会由于内部机箱结构及器件的建模方式不同而导致温度分布产生偏差，因此需要开展实验提供数据支撑[10]。
本文通过有限元热仿真，研究某强迫风冷电源在特定边界条件下运行过程中的热特性及优化方案。首先建立了风冷机箱的热仿真模型。然后根据设定的边界条件对机箱进行热分析，得到其温度分布云图，评估功率模块降额情况，并提出改进方案。最后通过优化散热器结构尺寸进行热仿真，根据仿真结果与高温条件下的实验结果对比分析。
仿真模拟和实验数据的结合，证实了仿真计算的准确性。建立的散热模型可以为结构设计提供精准的散热方案，能够显著提高产品设计的效率，降低设计成本，提高可靠性[11]。
1问题及热控描述
某型电源机箱为非标准定制机箱，根据技术要求需考虑防雨及抗电磁干扰能力，电源内部非均匀排布各类发热模块，同时考虑到设计成本及散热需求，因此在结构设计之初采用具有独立风道的强迫风冷设计。
本文中各模块尺寸不一，需在散热器非鳍片面铣出高度不一的凸台来提高散热效果。为强化传热，降低热阻，结构设计时对布置热源的中间隔板的机加平面度（<0.1 mm）及光洁度（>1.6μm）提出要求[12]，内部发热器件与凸台之间需填充高导热系数为3.2 W/（m·K）导热胶。机壳及相关导热附件选用比重小、比热容大、强度、耐腐蚀性能好及容易满足轻量化设计的铝合金材料（5A06）。各材料参数如表1所示。
电源实际工作不仅机壳可作为储热热沉，模块本身及与模块引脚相连印制板也承担部分热量的储存，为简化模型计算，在此仅将电源机壳及发热模块本身作为热沉进行分析计算[13]。
功率器件的降额设计是使器件工作中承受的工作应力适当低于器件的额定值，从而达到降低基本失效率，提高使用可靠性的目的[14]。根据热控要求，电源需至少满足内部发热功率器件Ⅲ级降额要求。内部发热的功率器件主要为大功率模块及控制模块，选用的模块内部主要发热器件为电感元件（主要为各种线圈和变压器）和半导体二极管[15]。其中所选电感元件允许的热点温度要求最高为180℃,半导体二极管类器件最高允许结温为150℃,可见模块内部器件的温度降额需以半导体二极管类器件降额为准。GJB/Z35-93元器件降额准则中规定，二极管内热阻未知时，器件壳温可按照低于半导体二极管类器件最高允许结温20℃进行计算[16]。另外根据所选用的模块温度测试数据得知二极管壳温与模块壳温之间的温差最大约为15℃左右。按照GJB/Z35-93元器件降额准则，二极管满足Ⅲ级降额时可知模块允许壳温为95℃,同理可知二极管满足Ⅱ级降额时模块允许壳温为75℃,电源具体热耗分布及工作状况如表2所示。
2热仿真分析
2.1物理模型及边界条件
某型电源机箱外形尺寸为320 mm×219 mm×60 mm，为保证尺寸的稳定性，壳体采用整体加工成型的方式，图1所示为电源机箱三维模型。将底板透明化处理可以看到风道为独立风道，可有效提升风冷换热效果。
强迫风冷通常是根据经验公式计算所需的风量来选择风机，计算公式为：
式中：Q为整机通风量，m3/s；Φ为热流量（总热耗），W；ρ为空气密度，kg/m3；CP为空气的质量定压热容，J/kg·℃;Δt为冷却空气进出口温差，℃,本文取值为10℃。
由于发热模块分布不均且考虑到风机寿命问题，根据经验公式计算决定采用的风机为某电讯电机厂生产制造的P40FZW1J5-28GAB（SH）型号轴流风机，风机尺寸为40 mm×40 mm×28 mm，风向为吹风，防水等级为IP68。设计时必须保证风向和散热器风道方向相同。图2所示为该风机气流特性曲线，其中1 CFM=1.7 m3/h。
散热器由安装基板及散热鳍片组成。散热鳍片的结构尺寸及分布情况会直接影响气体流动，且减小散热鳍片的厚度可增大换热面积，提升导热效率。但受加工工艺的影响，散热鳍片厚度最小不低于1 mm，过小会造成机加工难度大，成本较高[17]。散热鳍片间距也会影响散热情况。间距过大会降低换热面积，散热效果不佳；间距过小换热面积随之增大，但风阻也会随之增大，有效散热率减小。另外，增加散热鳍片高度也会增大换热面积，提高换热效率，但并不是越高越好，经研究得知，鳍片高度达到一个临界值后换热效果会减小，且散热器重量和结构尺寸无法满足要求[18]。因此综合考虑机箱尺寸空间及元器件排布空间后，根据经验初步将散热器基本尺寸定为193 mm（长）×127 mm（宽），散热基板厚度为5 mm，鳍片厚度为2.2 mm，鳍片高度为18 mm，鳍片间距为6.5 mm。
本文采用CAE建模软件（以下简称软件）进行热分析。根据软件建模以及电源自身的特点，建模过程中对一些对散热影响不大的细节进行了简化，主要包括：（1）电源忽略了模块与周围空气的对流散热因素；（2）忽略了所有的螺纹孔；（3）不考虑结构件表面的粗糙度。
仿真计算模型的建立是强迫风冷机箱的重点，通常有以下两种方式创建：（1）将真实的结构模型导入到几何模型创建单元，通过上述的简化方式简化，转化为软件可识别的仿真模型，再将简化后的仿真模型导入到软件中，最后设置好边界条件后完成散热分析；（2）直接在软件中通过选用模型库中的模型自行建立仿真模型，设置好边界条件后完成散热分析。
上述的两种建模方式仿真结果差异很小。但第一种建模方式无法在原有的散热器尺寸基础上修改鳍片和基板尺寸，只能通过三维软件更改尺寸后再一次导入到几何模型创建单元简化的方式重新计算，重复工作过多。相对而言第二种方式更加灵活，可以直接在建立的仿真模型修改散热器尺寸，因此本文采取的建模方式是第二种。
通过模型库将各模块及散热器创建完毕，输入气流及气压数值及发热模块的热耗。后续的建模完成适当的细节处理，可以得到仿真模型，如图3所示。计算的边界条件要考虑极端恶劣的情况，因此根据要求设置环境温度为55℃,海拔高度为5 000 m，根据经验判定空气流动状态为紊流。
2.2网格划分及结果分析
网格划分时可运用软件提供的3种网格划分类型：Mesher-HD网格、Hexa Cartesian结构化网格及Hexa Un⁃structured非结构化网格[19]。为了后续方便计算，本次网格划分采用非结构化网格，减小网格划分数量的同时保证网格质量。网格划分情况如图4所示，检查网格划分情况满足精度要求。
根据图4的网格划分情况，仿真计算后得到电源的温度分布云图，如图5所示。由图可知，虽然模块最高温度97.2℃小于模块壳温限值，但无法满足模块Ⅲ级降额要求，因此需要对散热器进行优化，通过优化散热基板和散热鳍片的结构尺寸，使得最高模块温度满足Ⅲ级降额要求，并保有余量。
本文后续将根据初始仿真结果，通过控制变量法来依次改变影响散热的散热基板、鳍片厚度、鳍片高度及鳍片间距尺寸，来找到较为适合的各结构尺寸大小，再根据所有最佳结构尺寸来模拟散热情况。根据现有机箱尺寸余量拟定的散热器各结构尺寸设计，如表3所示。
3散热器结构优化及实验验证
3.1基板优化设计
散热基板的厚度直接影响换热面积及对流换热效率，但更改散热基板尺寸的同时又要兼顾抗力学环境，因此基板厚度不能过低。
通过控制变量法，以基板厚度作为变量，其他结构尺寸不变，仿真模拟不同基板厚度对散热结果的影响。仿真得出的模块最高温度如图6所示。
根据仿真结果可知，温度随着基板厚度增大而逐渐增大，散热效果随之降低，并且基板厚度超过3 mm后，模块最高温度已超过95℃,不满足Ⅲ级降额要求。由此可知散热器基板厚度对温度影响较大，且在设计之初应使基板厚度尽可能小来满足散热，但不能过小，否则散热器无法吸收足够热量。
3.2鳍片优化设计
鳍片结构同样影响着散热效果。同理，通过控制变量法，以鳍片厚度、鳍片间距及鳍片高度各为单一变量进行优化设计。根据表3给出的鳍片各结构尺寸大小，分别仿真计算得出温度分布云图，如图7~9所示。
根据仿真结果可知，散热鳍片厚度与间距均是随着数值的增大，模块最高温度随之增大。而散热鳍片高度随着数值的增大，模块最高温度逐渐减小。其中鳍片高度在22 mm及鳍片间距在4.5 mm以下可满足模块温度Ⅲ级降额要求。因此在设计散热鳍片结构时，需要综合考虑其厚度、高度及间距尺寸，选择最合适的尺寸使得散热效果最优化。
特别说明，在实际设计散热器结构时，需要综合考虑除了满足散热需求的因素，比如需要考虑加工难度、结构强度、抗力学环境要求中的振动冲击试验要求等。不能随意设计，只根据热控需求选择极限结构参数[20]。
3.3散热器优化结果及实验验证
综合考虑多种结构设计环境，应当选择最合适的各结构尺寸进行热仿真。根据3.1及3.2节的散热器优化结果，由于鳍片厚度为1 mm和1.2 mm时的最高温度及鳍片间距为4.5 mm和3.5 mm时的最高温度相差无几，因此选择基板厚度2 mm，鳍片厚度1.2 mm，鳍片高度24 mm，鳍片间距4.5 mm作为最优选择。优化后整机质量降低约15%，其目的是保障加工方式简单化及机箱结构轻量化。根据选择的最优结构参数尺寸，得到如图10所示的温度分布云图。由图可知，模块最高温度约为90.7℃,满足模块温度Ⅲ级降额要求。
为了验证仿真结果的准确性及可靠性，生产出一件样机进行高温环境实验。设置和仿真一样的边界条件，通过热电偶传感器，监测电源机箱内各功率发热模块的实时温度，实验结果与仿真结果对比如表4所示。由表可知，软件模拟的结果和实验监测结果相差较小，最大误差为3.5%，满足误差范围要求，说明仿真结果是准确、可靠的。
4结束语
本文从风冷电源的热仿真出发，结合结构设计和热设计条件综合考虑，分析了基板厚度、鳍片结构参数尺寸对其散热效果的影响，通过仿真软件对不同散热器结构参数尺寸的赋值仿真，确定了最优的散热器尺寸，从而得到满足散热要求的温度分布云图。结果表明：在保证结构强度和机箱尺寸受限的前提下，适当减小散热器基板厚度、散热鳍片间距及鳍片厚度，增加鳍片高度，可以增大换热面积，提升散热效果，满足模块温度降额要求，同时能够体现电源机箱的轻量化优势。
通过热仿真分析和实验结果对比，证明了软件热仿真的准确性和可靠性，且可以在设计之初确定最佳的结构参数范围，为提前预判散热方案的合理性和设计方案的进一步优化提供数据支撑，对于选择最佳尺寸，提升设计效率有促进意义，为未来电子产品的可靠性奠定了基础。
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人参与 2024-07-16 11:35:01 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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