某功率单元强迫风冷散热分析和优化

肖　晋，朱新华，贾艳玲，王　艳(许继柔性输电系统公司，河南许昌461000)



某功率单元强迫风冷散热分析和优化

肖晋，朱新华，贾艳玲，王艳*
(许继柔性输电系统公司，河南许昌461000)

摘要:随着电子技术的发展，电子设备的散热问题显得越来越重要。以理论分析的基础上，针对某功率单元整体温度场和速度场，采用有限元的方法，进行数值分析。重点分析不同风机、不同翅片散热器下，功率单元温度场和流场的分布趋势。得到采用引风机、翅片较密的散热器(62个翅片)，能够达到最佳的散热效果，满足实际工程需要，有利于功率单元长期可靠运行。

关键词:强迫风冷散热;功率单元;数值模拟;速度场;温度场

随着经济的发展和社会的需要，电子技术得到迅猛的发展，电子器件越来越往小型化、高功率、热流密度不断增大、适应热环境的差异性更大的方向发展［1］。电子产品的这些发展对其散热的要求也越严格，文献［2］中指出，半导体元件温度升高10℃，可靠性将降低50%。单位体积内热耗散程度的增加，导致发热量和温度急剧上升，由于热驱动引起机械、化学、电气等方面的问题越来越严重，严重影响产品的质量和可靠性［3－4］。目前大多数文献多集中在电脑的CPU的散热模拟分析、翅片管的倾斜度对温度场的影响等电子设备温度场的分布情况的进行数值模拟［5］，而在实际工程中应用的相对较少。

由于不同的环境条件，散热器的选取，功率器件的布置等因素对散热效果影响较大。因此应综合考虑各因素，采用适当的布置冷却方式达到最佳的散热效果是功率模块正常运行的可靠保证。

1　热分析主要方法

任何热分析和流场分析都是依赖传热学和流体力学这两大基础理论，具体的热传导方式有导热、对流换热和辐射换热。

1．1导热

导热的基本数学表达式为:

式中:λ为材料的导热系数，W/(m·K) ; q″为热流密度，W/m2。热传导主要是由材料的传导系数决定的，而在实际计算中很难得到精确值。

1．2对流换热

对流换热具体可以用牛顿冷却方程来描述:

q″=h(Tw－Tf)

式中: h为对流换热系数，W/(m2·K) ; Tw为固体表面的温度，K; Tf为周围流体的温度，K。

实际对流换热是一个复杂的过程，受流体的物性，换热表面的几何条件和换热面的边界条件等共同影响［6－9］。

1．3辐射换热

辐射换热量可以用斯蒂芬—玻尔兹曼定律来计算:

式中:ε为为发射率;σ为斯蒂芬－玻尔兹曼常数，W/(m2·K4) ; A1为辐射面1的面积，m2; F12为表面1对表面2的角系数; T1，T2为辐射面1、2表面的绝对温度，K。

结合实际的工况辐射对整个散热的影响很小，模拟中为了提高计算效率，忽略辐射带来的影响［10］。

1．4理论风量计算

选择合理的情况下，所选风机能将热量排出设备外，风机的风量应该能够将电子设备所发出的热量全部带走，根据能量守恒的方程［11－12］:

式中: L为冷却空气流量，m2/s; Q为电子元件总发热量，kW;ρ为空气密度，kg/m3; Cp为空气的比热，kJ/(kg·℃) ; to为冷却空气出口温度，℃; ti为冷却空气入口温度，℃。

在实际工程中考虑到风量的漏风，提高散热器的可靠性，根据相关经验数据，要把得到的风量乘以1．5～2．0的系数才是选择风机的风量。

2　热分析工程应用

2．1数值求解的步骤

采用有限元的方法进行数值分析主要包括建模(根据实际工程产品的需要进行建立)、设置边界条件(主要包括环境温度、电子元器件功耗等)、划分网格和后处理等。

在热分析过程中，关键的步骤就是建模和设置边界条件。如何把实际工程中复杂的模型在不影响其模拟精度的情况下对其进行简化，从而建立合理的模型，边界条件的考虑的准确输入时保证精度的另一重要条件，这都需要大量的实际工程经验［13－14］。

2．2热分析模型建立

在建模时，根据实际功率模块的结构，按1: 1创建模块机箱，创建散热器、母线电容，驱动板底板，最后创建绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、吸收电容、电阻、驱动板和驱动转接板、风扇和通风口及壁面模型，具体模型如图1所示。

图1　功率单元模型

2．3边界条件的确定

该功率模块包括3个IGBT，两个吸收电容，两个吸收电阻，一个驱动板，十个母线电容，整个系统有3个风扇和3个通风口，两个侧面壁面与外界进行自然对流换热，忽略辐射换热。为了保证散热的效果，发热元件的表面默认为材质Cu。采用有限元数值分析方法可以看到各个发热元件的发热情况，得到温度和流场分布。边界主要包括流体边界和温度场边界，具体边界条件参数如表1所示。

表1　边界条件

2．4模型热分析求解及计算结果分析

在实际的工程中为了保证机柜的尺寸，散热器的尺寸是一个定值，在此基础上分析风机选用送风机还是引风机对散热效果的影响;散热器在不同翅片的情况下对整体换热效果的影响。通过对比得出有利于工程实际的结论。

对计算模型进行求解前，需要设置迭代步数和收敛标准。利用有限元分析流动和传热问题时，求解需要开启连续方程，动量守恒方程和能量守恒方程。计算过程中，各个方程都满足收敛条件才可以继续求解。

2．4．1不同风机下仿真分析

采用相同的散热器，风机分别为引风机和送风机时速度场和温度场的对比如图2所示。

由图2可以看出，当风机为引风机时，高风速恰好出现在风机口和相对发热量较高的IGBT散热器区域。当风机为送风机时，仅在风机入口处出现高风速，在散热器热负荷高的地方风速反而相对较低，影响整体的散热效率。

图2　不同风机类型下温度场和速度场

对比引风和送风情况下温度场的分布优劣更加明显，使用引风机时散热效果更好，最高温度较采用送风机时低20℃以上，整体温度场温度都相对较低，均匀性较好，母线电容区域整体温度较低，散热效率高。所以，在此功率单元中采用引风机较好。

2．4．2不同散热器下仿真分析

由前面的研究表明，风机采用引风机更符合实际工程的需要。在风机和散热器尺寸确定的基础上，肋片散热器具有增大散热面积，提高散热效率的优势。但是肋片过密会造成风阻，在一定程度上影响风的流速，除此之外，对后期的翅片的清洁也带来一定的不便。选取合适翅片数的散热器决定散热效率的同时也保证后期维护的方便。在此保证相同风机入口风速，肋片厚度的情况下，分别对42片翅片、62片翅片散热器的散热的温度场进行对比分析。具体散热器温度场分布如图3所示。

图3　不同翅片数散热器温度场

从图3可以看出，采用翅片密的散热器的温度场分布更加均匀，最高温度维持在85℃左右，能够保证电子元件的可靠运行。采用稀疏的翅片散热器时，入口风速较高，所以在风机入口处的温度相对较低，但实际发热元件所处的位置决定了高风速区没有出现在高散热负荷的地段，散热器没达到最好的散热效率，从而导致电子元件表面温度较高，不利于实际工程中功率单元可靠运行。

不同类型下器件表面最高温度的对比如表2所示。

表2　IGBT表面最高温度

3　结论

(1)对于该功率单元，由于实际结构中各发热电子元件数量和位置已确定。这些都决定采用引风机比采用送风机对提高整体散热效率更具有优势。通过模拟可以发现，该单元采用引风机时在需要换热量多的地方出现高风速。从而采用引风机时，该功率单元整体温度场的最高温度较采用送风机时降低15℃。

(2)在散热器尺寸一定，保证换热效果的情况下，对相同的风机入口风速下对不同翅片下的散热器进行温度场分析。通过具体模拟得到，在均衡安排散热器的空间下，采用62片翅片散热器的情况下，整体温度场的分布更均匀，较42片翅片散热器下最高温度低近25℃。为了保证电子元件的正常可靠的运行，在实际工程中需采用62片翅片散热器满足散热需求。

综上所述，在该功率单元上采用引风机，翅片相对较密的散热器(62片)才能满足实际工程需要，保证功率单元运行的可靠性。

参考文献:

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［14］宋威．电子器件风冷散热系统的流动与传热性能研究［D］．华中科技大学，2011．

肖　晋(1981－)，男，汉族，山西大同人，硕士，工程师，从事电力设备结构设计工作;

朱新华(1976－)，男，汉族，河南周口人，学士，工程师，从事电力设备结构设计工作;

王　艳(1989－)，女，汉族，河南周口人，硕士，从事热设计工作，wangyan201001@ 163．com。

Application Analysis of Image Intensifier in High Speed Image Acquisition*

NIU Ying1，2，ZHAO Dong’e1，2*，WANG Zhanxuan1，2
(1．National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China;
2．Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Abstract:A simple introduction to a high-speed acquisition system is made based on 9350EOS－3－PRO third generation image intensifier and MC1362 high speed cameras．External factors may affect the operation of the image intensifier were experimentally analyzed．From two parameters: voltage and luminance gain，these experimental data are collected，and then results are obtained by using MATLAB software post-processing．Analysis for the results showed that when voltage changes between 2．98 V～4．22 V，there is no significant change in the imaging result．System could improve the image quality significantly in the low illumination，but likely to occur saturate in the high illumination and need further improvement．

Key words:high speed photography; image intensifier; MATLAB; voltage; luminance gain

doi:EEACC: 614010．3969/j．issn．1005－9490．2015．02．013

收稿日期:2014－06－04修改日期: 2014－07－14

中图分类号:TK124

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015) 02－0283－04