大功率電源模塊的散熱優化

中國船舶集團有限公司第七一五研究所 俞青鋒 葛新法

針對某艦載設備的電源模塊散熱問題，采用熱管技術及更換高效率的DC/DC模塊進行散熱優化，借助仿真軟件進行熱分析，并對電源模塊進行模擬負載熱測試及優化前后的對比試驗。仿真及試驗結果表明：電源模塊的熱功耗對模塊溫度有極大的影響，高效率的DC/DC模塊能顯著降低熱功耗，采用熱管散熱技術等結構散熱優化同樣有一定降溫效果，綜合散熱優化方案提高了電源模塊的可靠性。

目前，很多文章對電源散熱的分析主要集中在結構的散熱特性分析上，比如均溫板導熱與風冷散熱器優化等，而對主要發熱器件DC/DC模塊效率影響分析涉及較少。本文針對某艦載設備的電源模塊存在的散熱問題，借助仿真軟件進行熱分析，采用熱管技術與高效率DC/DC模塊優化散熱，并進行模擬負載熱測試，驗證仿真分析的正確性與散熱方案的改善情況，可為大功率電源模塊的散熱設計提供一定的設計參考。

1 電源模塊熱設計

1.1 問題描述

某艦載設備的電源模塊采用間接水冷的方式散熱：熱量由模塊冷板、楔形鎖緊裝置傳導到上導軌水冷板及下導軌水冷板，再由冷卻水對導軌水冷板進行熱對流帶走熱量。液冷源提供的進水水溫為20℃，體積流量為2.2L/min，從上導軌水冷板流入，再由下導軌水冷板流出。

該電源模塊采用標準6U VPX板卡結構，其主要發熱器件是一個全磚DC/DC模塊電源，尺寸為117mm×56mm×12.7mm（長×寬×高）。其最大輸出功率為600W，允許的工作溫度范圍為-55℃～100℃，在25℃滿負載工作時最低效率為86%。

電源模塊工作時產生的熱功耗PD為：

其中：P0為電源的輸出功率；η為電源的效率。由上式可得，模塊產生的功耗：

1.2 熱仿真分析

通過仿真軟件進行熱仿真，兩塊電源模塊滿負載輸出時冷板的溫度分布云圖如圖1所示。

圖1 冷板的溫度分布云圖

圖2 方案一的溫度分布云圖

仿真結果表明：冷板外表面的最高溫度出現在DC/DC模塊的中心位置，最高溫度約為56.2℃，中心到冷板邊緣的最大溫升約為25℃。從圖1中可知，由于DC/DC模塊的熱流密度達1.5W/cm2，造成中心位置局部溫度過高，導致冷板溫度分布不均衡，熱量難以快速傳導出去。但仍滿足工作溫度小于100℃的要求。

然而實際使用中，由于設備機柜未合理分配流阻，導致設備的實際進水流量約為1L/min。進行熱仿真可知冷板外表面的最高溫度為61.1℃，溫度比之前升高了約5℃。因此，為了降低電源模塊的溫度，提高其可靠性，必須進行模塊的散熱優化設計。

2 散熱優化及仿真

2.1 優化方案

為了降低電源模塊的溫度，采取兩種優化散熱方案。

方案一：采用熱管散熱技術，提高冷板傳導能力。在電源模塊冷板內部布置一些熱管，將模塊局部的大熱耗迅速傳導至冷板兩邊，改變冷板溫度分布情況。

方案二：更換高效率的DC/DC模塊，選擇了一款常溫時效率最低為94%的DC/DC模塊電源。則滿負載時產生的熱功耗PD為38.3W，相應得熱流密度減小至0.58 W/cm2。

2.2 優化方案的熱仿真

液冷源的供水情況不變：進水水溫為20℃，體積流量為2.2L/min。對方案一進行熱仿真，模塊的冷板溫度分布云圖如圖2所示。

仿真結果表明：方案一時，冷板外表面的最高溫度約為53.3℃，比原先的表面溫度降低了約3℃，溫度分布不均衡情況得到改善。

對方案二進行熱仿真，冷板外表面的最高溫度為34.5℃，比原先的表面溫度降低了約21.7℃，中心到冷板邊緣的溫升減小至10.3℃。

3 溫度測試試驗

3.1 試驗平臺

對原電源模塊及散熱優化后的兩種方案進行溫度測試試驗，驗證仿真的準確性及散熱方案的改進效果。再通過模擬DC/DC模塊電源發熱，測量在不同功耗下冷板表面溫度的最高溫度，研究發熱功耗對溫升起到的影響情況。

試驗平臺主要由以下設備組成（表1）。

表1 試驗設備明細表

3.2 試驗結果

電源模塊的轉換功率η可按下式計算：

其中：Pin為輸入功率。而P=U×I，可以通過測量的電壓U和電流I測得。則DC/DC模塊電源的實際效率及熱功耗如表2所示。

電源模塊穩定工作約30min后達到熱平衡，冷板表面各測點的溫度如表3所示。

表2 DC/DC模塊電源的實際效率及熱功率

表3 冷板表面各測點的溫度

由表2可知，高溫時滿負載的DC/DC模塊輸出效率要比常溫理論的效率低6%左右，高效DC/DC模塊電源的熱功耗要比原模塊少46W。

由表3可知，原電源模塊的實際溫度與仿真溫度偏差在3%以內，仿真結果基本可信。熱管技術方案比原電源模塊溫度低約5.5℃，高效DC/DC模塊方案比原電源模塊溫度低18℃。

用陶瓷發熱片模擬DC/DC模塊的熱功耗，不同的熱功耗下冷板外表面的最高溫度如圖3所示。

圖3 冷板外表面的最高溫度

由圖3可知，冷板外表面的最高溫度隨著熱功耗的增加而快速上升，而熱管方案的降溫效果也隨之越好。

對試驗結果進行分析，可以得出以下結論：

（1）熱管方案等結構散熱優化對電源溫度的影響只有在高熱功耗下有些效果，而不能根本上降低電源模塊的溫度。

（2）DC/DC模塊熱功耗對電源模塊的溫度的影響很大，而高效DC/DC模塊可以大大減少熱功耗，顯著降低電源模塊的溫度。

結束語：針對某艦載設備大功率電源模塊的散熱問題，仿真與試驗結果表明：大功耗電源模塊的散熱優化重點是解決模塊的熱功耗，提高DC/DC模塊的效率，其次是熱管散熱等結構散熱優化，選擇合適的方案降低電源模塊的溫度，提高電源模塊的可靠性。