基于Icepak的電網保護裝置熱設計研究

周輝，鄭立亮，沈敏，夏雨，甘云華，周華良,3，王新春

(1. 南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3. 智能電網保護與運行控制國家重點實驗室，江蘇 南京 211106)

0 引言

自主可靠、可控、安全穩定運行是智能電網的發展趨勢，近期貿易爭端進一步推動了電力行業芯片與器件的國產化進程。然而在實際應用中，國產芯片在功耗與熱穩定性方面與進口芯片都存在較大差距，但裝置內部元器件的功率密度卻在提升。電子設備工作時，功率損失一般都會轉化為熱能。據統計，55%的失效故障都是因溫度超過規定值而導致，且失效率隨溫度增加呈指數增長趨勢[1]。因此，為保證設備長期、穩定地運行，熱設計是必不可少的環節，科學合理的熱設計方法至關重要[2]。

某型采用國產元器件的電網保護裝置，因工作環境嚴酷、性能指標嚴格，加上密封的箱體結構，其熱設計的難度較大。如何選用合理有效的散熱方式與散熱結構，確保國產元器件在極限溫度下按預定參數正常、可靠地工作是本文研究的重點。

1 裝置結構與熱設計

1.1 整體結構與熱設計參數

裝置外形尺寸為442mm×292mm×175mm，采用插件式結構設計，整體封閉。外殼選用鋁合金板料，用螺栓連接。內部由背板分隔成前艙與后艙，前艙用于操作面板與液晶模塊的信號接入，后艙通過導軌安裝DSP、CPU與SV-TX等功能模塊插件，各功能模塊插件上按需配置散熱器，并通過無源背板實現電氣互聯，整體結構如圖1所示。

圖1 裝置整體結構爆炸圖

裝置要求在-40℃～70℃的環境溫度下無間斷工作。從機箱背視圖看，各功能模塊插件的規劃位置見圖2。其中DC模塊熱耗8W，BI模塊、AI 模塊、BO模塊熱耗均為1W，SV-TX模塊、DSP模塊、CPU模塊熱耗由印制板、芯片與光模塊熱耗相加構成，裝置總熱耗約40W。其主要發熱芯片的熱耗與最高允許溫度見表1。

圖2 裝置功能模塊插件規劃布局

表1 主要發熱芯片熱設計參數

1.2 冷卻方式選擇

冷卻方式的選擇直接影響到裝置的組裝設計、可靠性與成本。自然冷卻(導熱、自然對流和輻射換熱的單獨作用或兩種以上換熱形式的組合)設計簡單、可靠性高，成本低，而且不需要冷卻劑驅動裝置，避免了因機械磨損或故障影響系統可靠性的弊病[3]。在滿足電氣性能與可靠性指標的前提下，裝置優先考慮自然冷卻的散熱方式。

根據傳熱學模型，密閉結構的裝置機箱主要通過與周圍空氣的對流和向空間的輻射來散熱，其總散熱量的計算公式為[4]

(1)

式中：Φ為密閉結構的裝置機箱總散熱量，W；As為機箱的側面面積，m2；At為機箱的頂面面積，m2；Ab為機箱的底面面積，m2；Ar表示參與輻射的機箱表面積，m2；ΔT為箱體表面相對于環境的溫升，K；σ為箱體輻射常數，約5.67×10-8W/(m2·K4)；ε為箱體表面平均發射率，取ε=0.86；Tm=(Ts+Ta)/2，其中Ts為裝置機箱表面平均熱力學溫度，K；Ta為環境熱力學溫度，K。

由于裝置表面溫度的升高會影響操作環境的舒適性，根據研制規范要求，箱體表面相對于環境的溫升應不超過10K[5]。取ΔT=10K，Ts=348K，Ta=343K，Tm=345.5K。Ar=As+At+Ab，As=0.257m2，At=0.129m2，Ab=0.129m2，Ar=0.515m2。

按公式(1)計算：Φ=58.5W>40W，即自然冷卻方式下的裝置總散熱量大于內部各模塊插件的總熱耗。

1.3 熱設計

上述計算確認了裝置自然冷卻的散熱方式，但設備仍可能存在局部過熱問題，尤其是在70℃極限溫度下持續工作一段時間后，芯片溫度可能超過最高允許溫度，影響設備的性能與可靠性[5]。為此，對該型電網保護裝置重點考慮了以下零組件的散熱設計。

1)印制板與元器件的散熱

通過增加印制板覆銅層厚度、層數、覆銅面積、加寬印制線寬度、增加熱過孔等措施，提高其導熱性能[6]。在滿足性能參數的前提下，優先選用熱耗較小、結溫高、熱阻低和耐溫性好的工業級器件。將熱耗大的元器件位置均勻分散，熱敏感元器件遠離熱源或將其隔離。此外，器件的位置與排列應便于散熱結構的設計與安裝。

2)散熱器結構形式的選擇

根據設備研制規范，當印制板上元器件的熱流密度超過0.4W/cm2時應采取適當措施，將熱量有效地傳導到熱沉上。對于功率管器件，選擇插裝式散熱器，與功率管組裝后焊接在印制板上。對于國產高功耗的CPU、FPGA芯片，選擇型材散熱器，用螺釘方式固定。使用導熱硅脂或導熱襯墊填充散熱器與芯片的間隙，并保證足夠接觸壓力，減小接觸熱阻。

3)裝置機箱的設計

選擇機械強度高、導熱性好的鋁合金6063作為裝置箱體材料，對箱體與散熱器表面做導電氧化處理。在裝置內部采用插頭、插座連接各模塊印制板，減少連接電纜，便于空氣流通，避免熱量在機箱內部循環。在箱體兩側壁安裝防水透氣閥，平衡內外氣壓，利于設備的散熱[7]。

2 熱仿真與改進

Icepak是一款基于有限元法，針對電子產品的熱仿真軟件，且集幾何建模、網格生成、求解和后處理功能為一體。器件級、印制板級與系統級的散熱問題都可以利用Icepak進行仿真計算，該軟件廣泛應用于電力電子、通信、航空航天等領域[8-9]。

2.1 模型簡化與仿真參數設置

對物理模型進行簡化可以提高仿真效率，更有針對性地分析問題。通過移除面板與插件的連接器，去除倒角、圓角特征，刪除與仿真無關的零組件，將發熱量小的功能模塊熱耗均化后建立板級模型，將發熱量大且芯片熱流密度高的功能模塊建立芯片級模型等措施，建立如圖3所示的熱仿真簡化模型，并為各功能模塊建立Assemblies裝配體，設定網格邊界。

圖3 簡化后的裝置熱仿真模型

其他主要仿真參數設置如下：

求解類型：穩態；

環境溫度：70℃(裝置允許的最高環境溫度)；

流態：湍流；

環境壓力：101325 Pa；

輻射模型：Ray tracing光線追蹤輻射換熱模型；

網格類型：Mesher-HD，非連續性網格。

2.2 仿真計算結果與分析

求解得到環境溫度70℃時機箱達到熱穩態時的溫度分布，圖4為裝置截面溫度云圖。結果顯示，熱量主要集中在箱體內部DSP與CPU功能模塊區域，其中DSP模塊CPU芯片A結溫119.7℃，FPGA芯片A結溫113.3℃，FPGA芯片B結溫113.7℃，CPU模塊CPU芯片B結溫120.9℃，FPGA芯片C結溫113.8℃，FPGA芯片D結溫114.1℃，均已超過其最高允許溫度。因此，需要進行散熱結構改進，將溫度控制在許用范圍內，并留有一定的安全余量。

圖4 裝置截面溫度云圖

2.3 設計改進

根據熱設計原理，提高設備散熱效率的主要措施有：選用導熱系數高的材料，擴大散熱表面積，增大與環境的換熱系數，增大物體表面發射率和減小接觸熱阻等[5]。本裝置擬采取下列改進措施。

1)在硬件資源允許的情況下，將高功耗插件按圖5間隔配置，均衡熱量分布。

圖5 裝置各功能模塊插件調整后的布局

2)在散熱器基板內埋入熱管以快速分散熱量，使用導熱系數高、質地柔軟的導熱凝膠填充芯片與散熱器間隙，實現低內應力條件下界面熱量傳導[6]，如圖6所示。

圖6 散熱器熱管與導熱凝膠的設計

3)針對DSP與CPU功能模塊，在滿足裝置防塵等級前提下，設計如圖7所示獨立風道結構。功能模塊按圖中箭頭指示方向，通過印制板導向槽插入裝置機箱，風道蓋板、散熱器、風道支架與擋板散熱孔共同構成與外部環境連通的氣流腔體。獨立風道結構增強了自然散熱時空氣流通速率，提升了高功耗模塊與外部環境的散熱效率。

圖7 高功耗模塊的獨立風道散熱結構

按上述改進措施更新仿真模型，重新求解環境溫度70℃時機箱達到熱穩態時的溫度分布。圖8為改進后裝置截面的溫度云圖；圖9、圖10分別為改進后DSP模塊、CPU模塊表面的溫度云圖。表2為改進前后關鍵芯片溫度仿真結果對比。

圖8 改進后裝置截面溫度云圖

圖9 改進后DSP功能模塊表面溫度云圖

圖10 改進后CPU功能模塊表面溫度云圖

表2 改進前后關鍵芯片溫度仿真結果對比 單位：℃

表2對比結果顯示，通過設計改進，CPU、FPGA等關鍵國產芯片最高溫度下降約8℃～11℃，均低于其最高允許溫度，且留有一定安全余量。此外，圖11所示裝置截面的氣流速度云圖也表明，由于采用獨立風道散熱結構，風道區域內空氣流速增大，對流換熱效率提高，高功耗芯片的熱量傳遞至散熱器翅片后，能在風道結構中被有效帶出至外部環境。

圖11 裝置截面獨立風道區域的氣流速度云圖

3 實驗驗證

為驗證熱設計及仿真結果的有效性，按改進后的方案制造樣機，裝置主要發熱芯片的熱耗見表1。在CPU與FPGA芯片正表面固定鉑電阻溫度傳感器，通過機箱外殼小孔引出，如圖12所示。將裝置放入標準溫度試驗箱VC37060，設置環境溫度70℃，進行高溫運行實驗。引出溫度傳感器連接到數據采集終端，通過計算機讀取、處理后得到關鍵芯片的結溫數據。

圖12 裝置高溫運行實驗

設備開機正常運行8h后，記錄熱平衡時各關鍵芯片溫度，見表3。數據顯示實測值比仿真結果低，偏差在7%之內。

表3 高溫運行實驗關鍵芯片實測溫度與仿真結果對比

4 結語

本文針對某電網保護裝置進行熱設計與相關仿真分析，并通過實驗驗證了改進方案的有效性，實現了裝置內部關鍵國產芯片的控溫要求。這種理論計算與軟件仿真相結合的設計方法，既提高設計效率，又降低研發成本，對同類型自然散熱條件下的電力電子設備的熱設計具有一定借鑒意義。