基于Icepak的某电子机箱大功率模块散热分析与优化

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　　摘   要：电子机箱大功率模块的散热是产品设计中的一项重要环节。通常机箱中散热器结构采用型材散热器。本文以某电子机箱强迫风冷的散热分析为例，利用Icepak软件对该机箱结构建立数学模型，进行温度场与风速场的仿真计算，通过计算结果与风道特性分析，在不过多增加加工成本的前提下对散热器结构进行优化，从而提高散热性能。
　　关键词：Icepak  型材散热器  散热分析  强迫风冷
　　中图分类号：TP31                                   文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）09（b）-0117-03
　　随着电子产品的集成度及组装度的不断提高，产品内各种模块的功耗也在不断增加，尤其是大功率模块，如果不进行有效合理的散热，会造成大功率模块在工作过程中失效甚至损坏。大功率模块的散热问题是电子产品热设计中的关键。
　　强迫风冷散热工作可靠，易于维修保养，成本相对较低，所以在需要散热的电子设备冷却系统中被广泛采用，同时也是大功率器件采取的主要冷却方式[1]。其核心部分就是风扇和散热器。在当今提倡降低成本的大环境下，型材散热器成为了散热结构的首选。
　　1  电子机箱的仿真模型
　　本文中電子机箱为标准3U机箱，由前面板、后面板、左右侧面板及上下盖板组成，材料均为铝合金。型材散热器安装于机箱中部，风道为独立风道，各模块紧贴散热器基板安装。两个风扇安装于后面板左右两侧，内部安装两个通风罩，将散热器风道与风扇连接起来。由于某些模块功耗较小，因此模型简化为仅考虑功耗较大的两个大功率模块及一个控制模块，并且两个大功率模块均安装在风扇直接抽风的风道上。如图1所示，其中图1（a）为机箱三维模型，图1（b）为机箱仿真模型。机箱计算区域尺寸为：460mm×424mm×132mm。
　　各个模块的参数如表1所示。
　　型材散热器的外形尺寸为：402mm×356mm×45mm，基板厚度为6mm，翅片厚度2mm，间距8mm，高度23mm。
　　风扇的选型依据是由经验公式计算出散热所需的风量，根据该风量来选择风扇。所需风量的计算公式为：
　　（1）
　　式中：Q为所需风量（m3/s）;ρ为空气的密度（kg/m3）;Cp为空气的定压比热（J/kg·℃）;W为整机功耗（W）;Δt为空气的温升（℃），文中温升取值为30℃。
　　实际情况中由于风阻的存在，风扇并不是工作在最大风量处的，因此风扇工作点的风量值小于风扇最大风量值。选择风扇时，风扇的最大风量值一般按计算所得风量值的两倍以上取值。通过计算及适当的放大余量，选择型号为Sanyo-Denki.109E5712K502的轴流风扇，该风扇的特性曲线如图2所示。
　　2  热仿真计算及结构优化
　　2.1 仿真计算及分析
　　环境温度设置为20℃，空气流动状态为湍流。在Icepak软件中通过参数设定、网格划分以及仿真计算得到的计算结果如图3、图4所示。
　　通过计算得到3个模块的温度分布图和空气的速度分布图。系统最高温度约为46℃，温升26℃，平均温度42.6℃。在高温环境下，26℃的温升有可能会影响大功率模块的可靠性及使用寿命。从图3中可以看出，高温区域集中在中间位置。从图4中可以看出，空气流动主要集中在风扇直接工作的左右两侧风道中，而中间部位空气流动较少。由此可见，如何提高中间散热部位的利用率是提高系统散热性能的关键。
　　2.2 散热器结构的优化
　　改善机箱散热性能最直接的方式是对散热器进行优化，翅片厚度、翅片间距及基板厚度对散热器的散热性能有很大影响[3]。但是过大改变结构的话可能会对整个系统的性能及产品的经济性造成影响，因此很多情况下的热设计工作是根据现有散热结构进行局部优化。
　　对于强迫风冷的情况，风扇的位置及空气的流动状况影响散热效果[4]。该机箱中风扇位于后面板两侧，散热器风道为直通道，中间部位通风率较低，通过增加两块挡风板，并且加工去除部分散热器翅片，使中间部位风道中的空气能够更好的流通，从而到达提高系统散热性能的目的。
　　计算得到优化后的温度与速度分布如图5、图6所示。
　　优化后系统最高温度约为40.9℃，温升20.9℃，平均温度为38.2℃。相比原结构，散热性能得到了较大的提升，最高温度降低5℃，平均温度降低4.4℃。从图6中可以看出，有更多的空气通过散热器中部的风道，并且空气流动的紊乱程度也比原结构的大。增加空气流动的紊乱程度可以增大雷诺数，从而提高散热性能[5]。
　　3  结语
　　型材散热器较机加工的散热结构可以减少数倍甚至数十倍成本，在大功率电子机箱热设计中有着广泛的应用。本文介绍了通过Icepak软件对某电子机箱大功率模块进行散热分析，根据计算所得的温度分布图与速度分布图对系统散热结构及风道特性进行分析，通过安装挡风板、改进风道结构等优化手段，在不对散热器结构进行大改动的前提下，改善了内部空气的流动性，提高了系统散热性能。
　　参考文献
　　[1] 张忠海.电子设备中高功率器件的强迫风冷散热设计[J].电子机械工程，2005，21（3）：12-21.
　　[2] 毛佳，程凯，雷阳.ANSYS Iecpak及Workbench结构热力学仿真分析[M].北京：化学工业出版社，2015.
　　[3] 盛重，陈晓青.功放芯片热分析及散热片结构优化[J].电子与封装，2015，15（2）：44-48.
　　[4] 孙艳.Icepak软件在加固计算机热设计中的应用[J].计算机技术与发展，2013，23（3）：215-217.
　　[5] E. Baker.Liquid Immersion Cooling of Small Electronic Devices[C].SDOL Microelectronic and reliability，1973，163-173.
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