电源模块的散热设计

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1、大功率电源模块的散热设计    摘 要：用传统的热设计理论及经验公式对电源模块内的四个50W大功率管进行了散热设计，应用热分析软件Icepak对理论计算进行了校核,并对方案进行了优化设计。   关键词：功率管散热；散热器；热分析软件；Icepak1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

2、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

3、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

4、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

5、换热。定性温度取散热器和环境温度的平均值75°C，即：式中：   Gr为葛拉晓夫数；??       D为自然对流时的特征尺寸，D＝150mm＝0.15m；   Δt为壁温与周围流体温度之间的温差，Δt＝100-50＝50℃；??   β为体积膨胀系数，β＝2.9575×10-81/K；??   γ为运动粘度，γ＝20.43×10-6m2/s；??       g为重力加速度，g=9.87m2/s。??   代入数据得Gr＝1.1673×10-7，而普朗特数Pr＝0.7085，故Pr×Gr＝8.2703×105，在1×104～1×109之间，判断流态为层流。相应的对流换热系数计算公式为

6、：式中，h、Δt、D的单位分别取W/（m2?K）、K、m。   代入数据，得h＝6.3666W/（m2?K）。再由公式Q＝h×A×Δt计算所需散热面积（暂时不考虑肋片效率）为0.62828m2。由此确定散热片肋高d＝66.476mm，考虑到肋片效率问题，取70mm。3.5散热器的校核计算   由于上述计算过程均是在散热器底板温度为100°C的假设下进行的，所以必须对散热器温度进行核算，以验证假设是否与实际相符。   由等截面矩形肋散热效率计算公式求得：η=散热面积A＝0.66m2，求得Δt＝Q/(hηA)＝51.2566℃。   肋片温度t等于环境温度与温升Δt之和，即t＝50+51.

7、2566＝101.2566°C。这表明，所设计的散热器在自然冷却的散热方式下，高于器件的温升要求，下面我们再借助Icepak对散热器的参数进行优化，并采用强迫风冷，以期得到更低的肋片温度。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cabinet、wall及opening三个基本模型元素的设定。??