基于Icepak主板散热器优化设计研究

摘 要 当前，主板散热器设计多以经验加实测为主，没有相关的仿真分析方法或仿真精度低，缺少相关的设计指导规范，在设计时具有一定的盲目性。在这样的背景下，本文以某主板散热器为研究对象，对空调主板散热仿真分析方法进行分析，可供参考。

关键词 Icepak主板散热器;优化设计;仿真精度

1主板散热器仿真分析

1.1 散热理论基础分析

散热器的散热方式有热传导、热对流和辐射散热，由于散热器采用的是铝挤型材，辐射较小，而且散热器处在外机风场中，散热器表面存在气流组织，所以散热仿真主要考虑热传导和热对流，各模块将热量通过热传导方式传递给基板，基板再将热量通过翅片，翅片与周围空气形成对流传热，是一个三维稳态热传导过程[1]，其三维热传导方程具体如下所示：

Q—物体内部热源密度，w/m2;λx、λy、λz—x、y、z三方向的热传导系数，w/m·k;ρ—密度。

本文考虑强制对流，可用牛顿冷却公式表示：q=hAΔT（2）

q—对流带走的热量，w/m2;h—对流传热系数，w/㎡·K;ΔT—流体与散热器表面温差，℃

1.2 功率及热阻估算

主板发热主要有PFC电路和逆变电路，功率元器件有IPM、二极管D1/D2、整流桥、IGBT，以整机输入功率为依据，根据经验，PFC电路的效率大概是96%～97%，除去电感之外，整流桥、二极管和IGBT的共同消耗可以按1.5%评估。IPM的逆变效率大概是96%左右，占空比0.5，各功率元器件估算具体如下：整机输入功率3800W，元器件总耗散功率为122W，IPM为53W，二极管为8W，整流桥为21W，IGBT为8W。

1.3 仿真计算

物理模型主要由外壳和散热器两个部分组成。散热器上有控制器元器件，分别为IPM、整流桥、二极管、IGBT。

2实测验证分析

为了验证AnsysIcepak的仿真精度，在焓差实验台进行实际测试，焓差实验台可以调节风量，设置不同的外环和内环温度和湿度，然后与实际测试数据进行比较，验证仿真精度。在各元器件上布置熱电偶，并且在各个元器件与散热器接触表面涂上散热膏，散热膏涂抹均匀。在高温制冷工况下测试各个元器件温度，外环54℃。实际测试数据与AnsysIcepak仿真数据对比具体如表1所示。

实验测得的各个元器件温度分布与仿真所得各个元器件温度分布趋势一致，虽然存在误差，但是误差较小，最大误差2.3℃。原因是仿真物理建模时，简化了外机风道内的隔板和风叶，对仿真结果存在一定的影响[2]。

表1 实际测试与仿真数据对比

3散热器关键影响参数分析

当前，主板散热器的设计选型主要根据空调外机的空间、风的流动方向等方面来进行设计选型，然而，根据这三个因素设计出的散热器不一定是散热效果最优的散热器，因为基板厚度、翅片间距过大或过小都会降低散热效果。散热器与多个点热源直接接触，因此，基板温度非均匀的，在横向上存在极大的温度梯度。基板厚度的变化，不仅影响了纵向上向翅片传导的热流密度，也影响了横向上的热量扩散。当基板过薄，横向传递被削弱，热量只能聚集在点热源附近向上传递，散热效果差。当基板过厚，热阻增大，纵向传递变弱，散热效果也会变差。当翅片间距变小，翅片数目增多，增加了散热表面积，但是同时增加了风的流动阻力。

4几何参数优化设计研究

不同翅片间距的散热器，翅片间距分别为d=3mm、d=5mm、d=7mm。不同散热器对应的温度最高的元器件均为整流桥。翅片间距d=5mm时，各元器件温度最低，散热效果最好，翅片间距d=7mm次之，翅片间距d=3mm散热效果最差。因此翅片间距不能过大或过小，翅片间距过大，翅片数目减少，散热表面积减少;翅片间距过小，流动阻力增加，散热效果变差。不同基板厚度的散热器，基板厚度分别为h=4mm、h=6mm、h=8mm。

图1 不同基板厚度对散热效果的影响

图1为不同基板厚度对散热效果的影响图，从图1可知，基板厚度h=6mm时，各元器件温度最低，散热效果最好，基板厚度h=4mm次之，基板厚度h=8mm散热效果最差，但是三种基板厚度的散热器散热效果相差不大，元器件最大温差为2℃。不同翅片长度的散热器，翅片长度分别为L=50mm、L=60mm、L=70mm。

5结束语

该仿真分析方法与实测趋势一致，可以指导设计，提高设计效率。翅片间距、基板厚 度均不能过大和过小，由于成本、空间限制，翅片长度不能过长

参考文献

[1] 吴俊鸿，杨检群，杨杰，等.变频空调控制器IPM过热问题的分析及对策[J].制冷技术，2012（4）：51-54.

[2] 黄滔，李发顺.变频空调功率器件散热器设计[J].日用电器，2015 （8）：54-56.

作者简介

赵臣烜（1985-），男，四川达州人;学历：本科，职称：工程师，现就职单位：湖南中车时代通信信号有限公司，研究方向：铁路信号设备热设计及轻量化研究。