某功率單元強迫風冷散熱分析和優化

肖　晉，朱新華，賈艷玲，王　艷(許繼柔性輸電系統公司，河南許昌461000)

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某功率單元強迫風冷散熱分析和優化

肖晉，朱新華，賈艷玲，王艷*
(許繼柔性輸電系統公司，河南許昌461000)

摘要:隨著電子技術的發展，電子設備的散熱問題顯得越來越重要。以理論分析的基礎上，針對某功率單元整體溫度場和速度場，采用有限元的方法，進行數值分析。重點分析不同風機、不同翅片散熱器下，功率單元溫度場和流場的分布趨勢。得到采用引風機、翅片較密的散熱器(62個翅片)，能夠達到最佳的散熱效果，滿足實際工程需要，有利于功率單元長期可靠運行。

關鍵詞:強迫風冷散熱;功率單元;數值模擬;速度場;溫度場

隨著經濟的發展和社會的需要，電子技術得到迅猛的發展，電子器件越來越往小型化、高功率、熱流密度不斷增大、適應熱環境的差異性更大的方向發展［1］。電子產品的這些發展對其散熱的要求也越嚴格，文獻［2］中指出，半導體元件溫度升高10℃，可靠性將降低50%。單位體積內熱耗散程度的增加，導致發熱量和溫度急劇上升，由于熱驅動引起機械、化學、電氣等方面的問題越來越嚴重，嚴重影響產品的質量和可靠性［3－4］。目前大多數文獻多集中在電腦的CPU的散熱模擬分析、翅片管的傾斜度對溫度場的影響等電子設備溫度場的分布情況的進行數值模擬［5］，而在實際工程中應用的相對較少。

由于不同的環境條件，散熱器的選取，功率器件的布置等因素對散熱效果影響較大。因此應綜合考慮各因素，采用適當的布置冷卻方式達到最佳的散熱效果是功率模塊正常運行的可靠保證。

1　熱分析主要方法

任何熱分析和流場分析都是依賴傳熱學和流體力學這兩大基礎理論，具體的熱傳導方式有導熱、對流換熱和輻射換熱。

1．1導熱

導熱的基本數學表達式為:

式中:λ為材料的導熱系數，W/(m·K) ; q″為熱流密度，W/m2。熱傳導主要是由材料的傳導系數決定的，而在實際計算中很難得到精確值。

1．2對流換熱

對流換熱具體可以用牛頓冷卻方程來描述:

q″=h(Tw－Tf)

式中: h為對流換熱系數，W/(m2·K) ; Tw為固體表面的溫度，K; Tf為周圍流體的溫度，K。

實際對流換熱是一個復雜的過程，受流體的物性，換熱表面的幾何條件和換熱面的邊界條件等共同影響［6－9］。

1．3輻射換熱

輻射換熱量可以用斯蒂芬—玻爾茲曼定律來計算:

式中:ε為為發射率;σ為斯蒂芬－玻爾茲曼常數，W/(m2·K4) ; A1為輻射面1的面積，m2; F12為表面1對表面2的角系數; T1，T2為輻射面1、2表面的絕對溫度，K。

結合實際的工況輻射對整個散熱的影響很小，模擬中為了提高計算效率，忽略輻射帶來的影響［10］。

1．4理論風量計算

選擇合理的情況下，所選風機能將熱量排出設備外，風機的風量應該能夠將電子設備所發出的熱量全部帶走，根據能量守恒的方程［11－12］:

式中: L為冷卻空氣流量，m2/s; Q為電子元件總發熱量，kW;ρ為空氣密度，kg/m3; Cp為空氣的比熱，kJ/(kg·℃) ; to為冷卻空氣出口溫度，℃; ti為冷卻空氣入口溫度，℃。

在實際工程中考慮到風量的漏風，提高散熱器的可靠性，根據相關經驗數據，要把得到的風量乘以1．5～2．0的系數才是選擇風機的風量。

2　熱分析工程應用

2．1數值求解的步驟

采用有限元的方法進行數值分析主要包括建模(根據實際工程產品的需要進行建立)、設置邊界條件(主要包括環境溫度、電子元器件功耗等)、劃分網格和后處理等。

在熱分析過程中，關鍵的步驟就是建模和設置邊界條件。如何把實際工程中復雜的模型在不影響其模擬精度的情況下對其進行簡化，從而建立合理的模型，邊界條件的考慮的準確輸入時保證精度的另一重要條件，這都需要大量的實際工程經驗［13－14］。

2．2熱分析模型建立

在建模時，根據實際功率模塊的結構，按1: 1創建模塊機箱，創建散熱器、母線電容，驅動板底板，最后創建絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、吸收電容、電阻、驅動板和驅動轉接板、風扇和通風口及壁面模型，具體模型如圖1所示。

圖1　功率單元模型

2．3邊界條件的確定

該功率模塊包括3個IGBT，兩個吸收電容，兩個吸收電阻，一個驅動板，十個母線電容，整個系統有3個風扇和3個通風口，兩個側面壁面與外界進行自然對流換熱，忽略輻射換熱。為了保證散熱的效果，發熱元件的表面默認為材質Cu。采用有限元數值分析方法可以看到各個發熱元件的發熱情況，得到溫度和流場分布。邊界主要包括流體邊界和溫度場邊界，具體邊界條件參數如表1所示。

表1　邊界條件

2．4模型熱分析求解及計算結果分析

在實際的工程中為了保證機柜的尺寸，散熱器的尺寸是一個定值，在此基礎上分析風機選用送風機還是引風機對散熱效果的影響;散熱器在不同翅片的情況下對整體換熱效果的影響。通過對比得出有利于工程實際的結論。

對計算模型進行求解前，需要設置迭代步數和收斂標準。利用有限元分析流動和傳熱問題時，求解需要開啟連續方程，動量守恒方程和能量守恒方程。計算過程中，各個方程都滿足收斂條件才可以繼續求解。

2．4．1不同風機下仿真分析

采用相同的散熱器，風機分別為引風機和送風機時速度場和溫度場的對比如圖2所示。

由圖2可以看出，當風機為引風機時，高風速恰好出現在風機口和相對發熱量較高的IGBT散熱器區域。當風機為送風機時，僅在風機入口處出現高風速，在散熱器熱負荷高的地方風速反而相對較低，影響整體的散熱效率。

圖2　不同風機類型下溫度場和速度場

對比引風和送風情況下溫度場的分布優劣更加明顯，使用引風機時散熱效果更好，最高溫度較采用送風機時低20℃以上，整體溫度場溫度都相對較低，均勻性較好，母線電容區域整體溫度較低，散熱效率高。所以，在此功率單元中采用引風機較好。

2．4．2不同散熱器下仿真分析

由前面的研究表明，風機采用引風機更符合實際工程的需要。在風機和散熱器尺寸確定的基礎上，肋片散熱器具有增大散熱面積，提高散熱效率的優勢。但是肋片過密會造成風阻，在一定程度上影響風的流速，除此之外，對后期的翅片的清潔也帶來一定的不便。選取合適翅片數的散熱器決定散熱效率的同時也保證后期維護的方便。在此保證相同風機入口風速，肋片厚度的情況下，分別對42片翅片、62片翅片散熱器的散熱的溫度場進行對比分析。具體散熱器溫度場分布如圖3所示。

圖3　不同翅片數散熱器溫度場

從圖3可以看出，采用翅片密的散熱器的溫度場分布更加均勻，最高溫度維持在85℃左右，能夠保證電子元件的可靠運行。采用稀疏的翅片散熱器時，入口風速較高，所以在風機入口處的溫度相對較低，但實際發熱元件所處的位置決定了高風速區沒有出現在高散熱負荷的地段，散熱器沒達到最好的散熱效率，從而導致電子元件表面溫度較高，不利于實際工程中功率單元可靠運行。

不同類型下器件表面最高溫度的對比如表2所示。

表2　IGBT表面最高溫度

3　結論

(1)對于該功率單元，由于實際結構中各發熱電子元件數量和位置已確定。這些都決定采用引風機比采用送風機對提高整體散熱效率更具有優勢。通過模擬可以發現，該單元采用引風機時在需要換熱量多的地方出現高風速。從而采用引風機時，該功率單元整體溫度場的最高溫度較采用送風機時降低15℃。

(2)在散熱器尺寸一定，保證換熱效果的情況下，對相同的風機入口風速下對不同翅片下的散熱器進行溫度場分析。通過具體模擬得到，在均衡安排散熱器的空間下，采用62片翅片散熱器的情況下，整體溫度場的分布更均勻，較42片翅片散熱器下最高溫度低近25℃。為了保證電子元件的正常可靠的運行，在實際工程中需采用62片翅片散熱器滿足散熱需求。

綜上所述，在該功率單元上采用引風機，翅片相對較密的散熱器(62片)才能滿足實際工程需要，保證功率單元運行的可靠性。

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肖　晉(1981－)，男，漢族，山西大同人，碩士，工程師，從事電力設備結構設計工作;

朱新華(1976－)，男，漢族，河南周口人，學士，工程師，從事電力設備結構設計工作;

王　艷(1989－)，女，漢族，河南周口人，碩士，從事熱設計工作，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

中圖分類號:TK124

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 02－0283－04