基于Icepak的電源插件散熱仿真分析

李 昂，楊 誠，賈藝歌，李 丹，李 勇，侯榮彬，吳志強，黃文娜

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，成都 610213）

0 引言

反應(yīng)堆保護裝置是核動力裝置重要的安全設(shè)備，是保護系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于監(jiān)測選定的控制變量。當被監(jiān)測的變量超過規(guī)定值時，保護裝置觸發(fā)安全驅(qū)動器觸發(fā)功能，實現(xiàn)反應(yīng)堆快速停堆或驅(qū)動專設(shè)安全設(shè)施，從而限制或減輕事故后果。電源插件主要是采用AC/DC電源模塊，將可靠電源提供的220V交流電轉(zhuǎn)化為+15V直流電源，從而為設(shè)備部分通道提供穩(wěn)定可靠的+15V直流電壓。電源模塊在額定工作狀態(tài)下會產(chǎn)生較大熱量，使電源模塊本身溫度較高，電源模塊長期處于高溫狀態(tài)下時，工作穩(wěn)定性會受到一定影響，當溫度超過元器件極限溫度時，電源模塊燒壞，則無法為其它通道的插件提供穩(wěn)定可靠的+15V電壓，此時需要+15V電壓的插件無法正常工作，導(dǎo)致反應(yīng)堆保護裝置部分控制功能無法實現(xiàn)。因此，電源模塊處于良好的散熱狀態(tài)，是保證電源插件和整個反應(yīng)堆保護裝置能夠穩(wěn)定工作的前提。電子設(shè)備熱設(shè)計系統(tǒng)性能的好壞直接影響到電子設(shè)備的工作狀態(tài)、工作性能以及工作壽命，解決電子設(shè)備過熱問題是目前國內(nèi)外電子設(shè)備熱設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一[1]。文獻[2]指出：隨著電源模塊逐步向小型化轉(zhuǎn)變，電源模塊的功率密度也隨之增大，大量的熱量如果不采用有效的散熱措施進行散熱，電源模塊電路將有極高的熱流密度，影響電路可靠性和壽命。文獻[3]指出：隨著溫度的升高，電力電子設(shè)備的失效率會呈指數(shù)趨勢增長，甚至在部分電氣設(shè)備中環(huán)境溫度每上升10℃，電氣設(shè)備的失效率會出現(xiàn)1倍以上增長，當電源模塊電路內(nèi)部溫度增長超過設(shè)計溫度的極限值時，將導(dǎo)致元器件失效及故障，威脅電源模塊后續(xù)相關(guān)插件的安全穩(wěn)定運行。熱分析研究基于傳熱學(xué)、有限元分析和流體力學(xué)。目前，熱分析的方法主要分為解析法、數(shù)值模擬法、實驗分析法[4,5]。文獻[6]通過運用Icepak軟件對機箱內(nèi)部元器件散熱問題進行仿真，并通過優(yōu)化改進，實現(xiàn)了對元器件溫度降低達10℃以上，提升了產(chǎn)品可靠性。文獻[7]采用熱仿真軟件Icepak對某密閉機箱進行了熱仿真，并對結(jié)構(gòu)布局進行了優(yōu)化，設(shè)計了有利于功率器件散熱的結(jié)構(gòu)形式。

本文采用SolidWorks軟件建立電源模塊和電源插件模型，利用ANSYS Icepak軟件對電源插件的發(fā)熱情況和散熱性能進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果為提升電源插件的散熱性能提供設(shè)計思路和理論依據(jù)。

1 電源插件三維模型建立

電源插件所用的AC/DC電源模塊規(guī)格型號已經(jīng)確定，并且電源模塊配置了對應(yīng)的散熱片對其進行強化散熱，插件、電源模塊及電源模塊散熱片的結(jié)構(gòu)尺寸所有參數(shù)均已知。在建模過程中，將電源模塊簡化為長：7cm，寬：5.2cm，高：2cm的長方體，散熱片和插件模型采用SolidWorks軟件根據(jù)實際尺寸參數(shù)按1:1比例建立AC/DC電源模塊、電源模塊散熱片模型，通過SolidWorks軟件將其與PCB板與插件盒進行裝配，從而建立電源插件模型，建模過程中忽略發(fā)熱量較小的元器件，從而簡化插件模型，便于計算和分析插件內(nèi)的溫度分布。電源插件模型如圖1所示，無散熱片的電源插件結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，增加散熱片的電源插件結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，同時增加散熱片和散熱孔后的電源插件模型如圖1（c）所示。

圖1 電源插件Fig.1 Model of Plug-in

2 電源插件熱分析

電源插件熱分析采用ANSYS軟件對電源模塊和插件進行有限元分析，通過模擬電源插件三維模塊的溫度分布和熱應(yīng)力分布，進而獲得電源插件額定工作狀態(tài)下的溫度以及散熱性能。

2.1 基本控制方程

數(shù)值計算依靠離散反應(yīng)物質(zhì)運動特性的守恒偏微分方程，獲得計算結(jié)果。本過程所涉及的控制方程包括：連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程[8-10]。

1）質(zhì)量守恒方程：

2）動量守恒方程：

3）能量守恒方程：

式中：u，v，w為X，Y，Z 3個方向的速度；Su，Sv，Sw為廣義源項；Cp為比熱容；T為溫度；ST為粘性耗散項。

表1 不同電源插件模網(wǎng)格數(shù)Table1 Grid number of different power plug-in model

2.2 網(wǎng)格劃分

由于電源插件模型在SolidWorks軟件中建立，因而導(dǎo)入Icepak后，網(wǎng)格化劃分采用Mesher-HD網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分，通過調(diào)整網(wǎng)格級數(shù)和非連續(xù)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的最大網(wǎng)格尺寸，從而保證網(wǎng)格貼體。當網(wǎng)格體積，網(wǎng)格偏斜度以及面對齊率均滿足網(wǎng)格準則時，不同電源插件模型的網(wǎng)格單元數(shù)和網(wǎng)格節(jié)點數(shù)見表1。

2.3 電源散熱性能分析

本文根據(jù)實際工作環(huán)境狀態(tài)，環(huán)境溫度設(shè)置為：20℃，環(huán)境壓力為：101325Pa，采用湍流模型，給定AC/DC電源模塊和其他發(fā)熱器件的功耗，采用Icepak模塊對電源插件散熱性能進行模擬分析。電源插件的溫度分布如圖2所示。

當計算收斂后，根據(jù)模擬結(jié)果，增加散熱片后AC/DC電源模塊最高溫度降低了3.41℃。對比圖2（a）和圖2（b）可以看出：增加散熱器后，AC/DC電源模塊和安裝電源模塊的PCB板的溫度明顯降低。但是，由于插件與外界的散熱并沒有增強，因而散熱片僅能降低局部器件的溫度，無法顯著提升整個插件的散熱性能。

對比圖2（a）和圖2（c）可以看出：增加散熱孔后，電源插件外內(nèi)部空間和所有器件溫度均有所降低。對比增加散熱孔前后的模擬結(jié)果可以得出：電源插件AC/DC電源模塊最高溫度降低10℃，DC/DC模塊最高溫度降低6.44℃，印制板最高溫度降低10.08℃。因此，增加散熱孔有助于提升插件整體的散熱性能。

對比圖2（a）和圖2（d）得出：同時增加散熱孔和散熱片后，電源插件內(nèi)部AC/DC電源模塊、DC/DC模塊、印制板以及插件內(nèi)部空間溫度均明顯降低。因此，插件散熱性能獲得提升。

電源插件采用帶有散熱孔結(jié)構(gòu)的外殼，提升電源插件整體的散熱性能的同時，增加散熱片強化AC/DC電源模塊的散熱。模擬分析增加散熱孔和散熱片后電源插件的散熱性能，不同開孔率下的電源插件溫度變化見表2。

計算收斂后，根據(jù)模擬結(jié)果可以得出：開孔率越高，自然對流散熱越好，電源插件內(nèi)部器件溫度降低得越多，插件散熱性能越好。但是，當開孔率超過0.5時，電源插件散熱性能隨開孔率增大提升緩慢。因此，繼續(xù)提升開孔率對插件散熱性能提升效果較小，所以針對電源插件最佳開孔率在0.5左右。

圖2 電源插件內(nèi)部器件溫度分布Fig.2 Temperature distribution of the internal components of the power plug-in

表2 不同開孔率下插件內(nèi)部器件溫度變化Table 2 Temperature change of the internal components of the plug-in under different opening ratio

2.4 不同環(huán)境條件下電源插件散熱性能分析

為驗證不同環(huán)境溫度下，增加散熱片和散熱孔的電源插件的散熱性能，對電源插件在不同環(huán)境溫度下的散熱性能進行模擬分析，不同環(huán)境溫度下電源插件內(nèi)部器件和印制板溫度的變化見表3。

計算結(jié)果可以看出：增加散熱孔和散熱片后的插件散熱性能提升在不同環(huán)境溫度下具有較好的一致性，因此通過增加散熱片和散熱孔能有效提升插件整體的散熱性能，為電源插件散熱性能優(yōu)化提供參考依據(jù)。

3 結(jié)論

根據(jù)模擬結(jié)果可以看出：電源插件中AC/DC電源模塊在額定工作狀態(tài)時，發(fā)熱較嚴重，增加散熱片能有效降低插件內(nèi)發(fā)熱器件的溫度；插件外殼增加散熱孔能提升插件內(nèi)部的整體散熱性能；同時，采用安裝散熱片和增加散熱孔的方式，可以顯著提升插件的散熱性能。

表3 不同環(huán)境溫度下插件內(nèi)部溫度變化Table 3 The internal temperature of the plug-in changes under different ambient temperatures

1）增加散熱片能降低電源插件內(nèi)局部發(fā)熱較嚴重器件的溫度，只增加散熱片后，電源插件內(nèi)AC/DC電源模塊溫度降低3.41℃，其它器件溫度變化較小。

2） 增加散熱孔能有效提升整個插件的散熱性能，插件內(nèi)部元器件和印制板溫度均降低，增加散熱孔可提升電源插件整體的散熱性能。

3）電源插件外殼的開孔率越大，自然對流散熱性能越好，但當開孔率超過一定值后，繼續(xù)增大開孔率散熱性能提升效果較小。

4）同時采用散熱片與較優(yōu)開孔率的散熱孔時，在不同環(huán)境溫度下散熱性能保持一致，具備良好的環(huán)境適應(yīng)性。