基于熱仿真的電源變換裝置熱設(shè)計優(yōu)化

孔叔鈁，時鐘，黃永華

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2.安全可靠軟硬件性能與可靠性測評工業(yè)和信息化部重點實驗室，廣東 廣州 511370）

0 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，電子元器件和設(shè)備的尺寸不斷地縮小，而功耗和熱流密度卻不斷地增加。除射頻芯片和電源芯片外，大部分流經(jīng)芯片的電流都以熱量的形式散失掉。如果不對這些熱量加以控制，使之合理地傳遞到熱沉中去，則會導(dǎo)致電子設(shè)備溫度過高，進(jìn)而影響電子設(shè)備的可靠性和壽命[1-2]。對于電源變換裝置等包括大量功率器件的電子設(shè)備，必須開展熱設(shè)計，通過利用合理的資源，使其工作在合理的溫度范圍內(nèi)，這也是確保其在目標(biāo)使用環(huán)境下的可靠性指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求的必要條件。

1 散熱器熱阻

熱阻是當(dāng)有熱量在物體上傳輸時，物體兩端的溫度差與熱源的熱功率之間的比值，表示熱量轉(zhuǎn)移過程中的阻力[3]。

傳導(dǎo)熱阻的定義為：

式（1）中：ΔT ——物體兩端的溫度；

Q ——熱源功耗。

對流熱阻的定義為：

式（2）中：h ——對流換熱系數(shù)；

A——散熱面積。

熱量從熱源到散熱器的傳熱方式是傳導(dǎo)，從散熱器傳遞到環(huán)境的傳熱方式包括對流和輻射。散熱器熱阻包括基板擴(kuò)散熱阻和翅片熱阻。當(dāng)熱源與散熱底板的面積相差較大時，熱量從熱源中心向邊緣擴(kuò)散所形成的熱阻是擴(kuò)散熱阻[4-5]。為了減小擴(kuò)散熱阻，應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x擇基板厚度，降低熱量在傳輸方向上的熱阻，或者采用導(dǎo)熱系數(shù)更高的散熱器材料。翅片頂板和基板之間存在溫度梯度的原因是翅片內(nèi)部存在傳導(dǎo)熱阻。翅片效率是指實際散熱量與理想散熱量之比，翅片效率η的計算公式如下：

式（3）中：H ——翅片高度；

s ——翅片間距；

m ——特征值。

式（4）中：k——翅片材料的熱導(dǎo)率；

h ——對流換熱系數(shù)；

d ——翅片厚度。

當(dāng)m·H=0.5時，η=92.4 %；如果再增加翅片高度，則η將緩慢地接近于1。由于空間體積的限制，翅片高度也受到限制。在給定流態(tài)下，散熱器翅片的數(shù)量存在一個最優(yōu)值。對于自然散熱，可以利用經(jīng)驗公式粗略地估算散熱器的形狀參數(shù)，然后利用仿真分析和實測的結(jié)果進(jìn)行修正。對于強(qiáng)迫對流，相比翅片的間距，風(fēng)量和翅片個數(shù)對散熱器熱阻的影響更加明顯。

2 某型電源變換裝置熱設(shè)計方案

2.1 熱設(shè)計目標(biāo)

某型電源變換裝置的目標(biāo)工作環(huán)境溫度為45 ℃，預(yù)期工作海拔高度為2 000 m，安裝在戶外地面設(shè)備間內(nèi)，產(chǎn)品內(nèi)部的關(guān)鍵元器件技術(shù)規(guī)格書規(guī)定了結(jié)溫限制是175 ℃，根據(jù)設(shè)計要求，對這些元器件的結(jié)溫進(jìn)行進(jìn)一步的降額，詳細(xì)內(nèi)容如表1所示。

表1 關(guān)鍵元器件的結(jié)溫限制

2.2 功率器件散熱方案

主電路板模塊設(shè)備的總功耗約為1 300 W，主電路板上的MOS管和IGBT是主要發(fā)熱元器件，包含7個MOS管、5個A型IGBT和3個B型IGBT模塊。MOS管和IGBT的殼體頂面緊貼主散熱器，殼體與主散熱器之間涂覆導(dǎo)熱硅脂以減小界面接觸熱阻。MOS管和IGBT產(chǎn)生的熱量通過結(jié)-殼傳熱路徑和導(dǎo)熱硅脂傳遞到產(chǎn)品外部主散熱器上，產(chǎn)品底部有兩個9228風(fēng)扇向主散熱器吹風(fēng)。PCBA內(nèi)部采用一個9228風(fēng)扇吹風(fēng)，增大發(fā)熱期間附近的空氣流速，加強(qiáng)器件表面對流換熱的能力。

3 熱仿真建模與分析

3.1 建立熱仿真模型

對產(chǎn)品的MCAD文件適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行簡化，去除不必要的圓角、倒角、突起和小孔等特征，導(dǎo)入熱仿真軟件。根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計信息給予模型參數(shù)賦值，包括結(jié)構(gòu)件和元器件材料熱學(xué)參數(shù)（導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容和表面發(fā)射率等）、元器件的功耗和風(fēng)扇的P-Q曲線等。對于需要進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的部件，如散熱器等，需要根據(jù)翅片的高度、厚度、個數(shù)、間隙和基板厚度等，轉(zhuǎn)換為軟件自建模部件。假設(shè)風(fēng)扇的出風(fēng)方向垂直于進(jìn)風(fēng)口。環(huán)境溫度設(shè)置為45 ℃，海拔高度設(shè)置為2 000 m。主散熱器的形狀參數(shù)設(shè)置如表2所示，熱仿真（CFD）模型如圖1所示。

表2 主散熱器的形狀參數(shù)設(shè)置 單位：mm

圖1 熱仿真模型

3.2 MOS管頂面接觸熱阻分析

晶體管與主散熱器之間涂導(dǎo)熱硅脂，厚度為0.05 mm，為了降低網(wǎng)格數(shù)量，提高運算效率，根據(jù)公式（6），在MOS管與主散熱器的接觸面上設(shè)置接觸熱阻：

式（6）中：d——導(dǎo)熱硅脂的厚度；

k——導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)；

S——接觸面積。

經(jīng)計算，得到接觸熱阻R為1.9exp(-0.5) K·m2/W。

3.3 求解分析

設(shè)置邊界環(huán)境溫度為45 ℃，CFD模型經(jīng)過網(wǎng)格劃分和計算調(diào)試，得到初始方案的仿真結(jié)果如表3所示。

表3 初始方案的仿真分析結(jié)果單位：℃

MOS管和IGBT的結(jié)溫均超過了熱設(shè)計目標(biāo)，需要進(jìn)行優(yōu)化。

4 優(yōu)化建議

響應(yīng)曲面設(shè)計方法是合理地實施試驗樣本，得到一定的試驗數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程來擬合多個輸入變量與目標(biāo)輸出值之間的函數(shù)關(guān)系，通過分析函數(shù)來尋找最優(yōu)的參數(shù)。強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的翅片個數(shù)是決定翅片散熱效率的關(guān)鍵因素。利用仿真軟件對翅片個數(shù)進(jìn)行參數(shù)化，結(jié)合響應(yīng)曲線設(shè)計實驗方案，得到散熱效果的最優(yōu)設(shè)計方案。

初始方案的主散熱器翅片的間距較大，數(shù)量較少，對于強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器，可以適當(dāng)?shù)靥岣叱崞瑪?shù)量，減小齒間距。將散熱器翅片的數(shù)量設(shè)置為輸入變量，變化范圍為20～70。對散熱器翅片的數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，計算得到其為56時，齒間距為4 mm，最利于芯片散熱；加工能實現(xiàn)，重量和成本可以接受。優(yōu)化方案響應(yīng)曲線如圖2所示， 翅片數(shù)量的最優(yōu)方案輸出目標(biāo)參數(shù)如表4所示。

表4 翅片數(shù)量的最優(yōu)方案輸出目標(biāo)參數(shù)單位：℃

圖2 CCGA2577板級互聯(lián)器件

此時，MOS管和IGBT的結(jié)溫均達(dá)到了熱設(shè)計目標(biāo)，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

電源變換裝置使用了大量的IGBT、MOS管等大功率器件，熱流密度較高。熱仿真分析能定量地確定熱設(shè)計措施對散熱效果的影響，為熱設(shè)計提供指導(dǎo)。增加散熱器翅片的個數(shù)能夠有效地增大散熱器的擴(kuò)展面積，提高散熱效果。對于強(qiáng)迫和風(fēng)冷的散熱器，散熱器翅片的數(shù)量比齒間距和厚度的影響更加明顯。