汪志強(qiáng)，胡杰紅，李開旭

（天明環(huán)保工程有限公司，杭州 310018）

0 引言

功率器件在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用,如高頻電源、脈沖電源、變頻器等。隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，功率器件進(jìn)一步趨于小型化，且性能更加優(yōu)越，但單位體積的功耗也不斷增加，故工程設(shè)計中需對器件的散熱進(jìn)行設(shè)計、校核、優(yōu)化，以確保其在穩(wěn)定的工作溫度范圍內(nèi)［1］。同時，隨著計算機(jī)技術(shù)和計算流體力學(xué)（CFD）軟件的發(fā)展，CFD 軟件被廣泛應(yīng)用到工程設(shè)計、優(yōu)化中。

本文應(yīng)用Flow Simulation 對某公司研制的型號為TM-HFHV 高頻電源進(jìn)行流體仿真分析，得到原散熱器散熱效果，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化散熱器鰭片高度、鰭片間距、鰭片厚度［2-3］，從而保證功率器件在穩(wěn)定工作溫度范圍內(nèi)，并使散熱器單位質(zhì)量散熱效率大幅提高。

1 建立仿真模型

在SolidWorks 中建立高頻電源風(fēng)箱、散熱器以及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、整流橋等功率器件模型，如圖1所示，整流橋和IGBT 安裝于散熱器上，風(fēng)箱安裝于散熱器背側(cè)，抽風(fēng)機(jī)安裝于散熱器底部。整流橋和IGBT 產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)方式傳遞至散熱器，然后通過強(qiáng)迫風(fēng)冷方式傳遞至外界環(huán)境中。

圖1 模型正面及背面

2 仿真參數(shù)設(shè)置

進(jìn)入風(fēng)箱的溫度約為40℃，風(fēng)扇為某廠制造的DF-7 離心風(fēng)機(jī)，其性能曲線如圖2 所示，風(fēng)箱進(jìn)口處為一開孔率為0.15 的多孔板，整流橋和IGBT 在峰值功率下的發(fā)熱功率分別為30 W 和250 W，使用Hi-Flow 115-AC@10psi 型導(dǎo)熱硅片，熱阻為3×10-5K·m2/W；散熱器粗糙度為Ra0.25，與空氣的熱阻為1.8×10-5K·m2/W。仿真參數(shù)設(shè)定如表1。

圖2 風(fēng)機(jī)性能曲線

表1 仿真參數(shù)的設(shè)定

表2 穩(wěn)態(tài)下風(fēng)扇流量及元器件溫度

3 后處理

經(jīng)軟件模擬得：穩(wěn)態(tài)下，風(fēng)扇出口流量為0.264 5 m3/s，IGBT 最高溫度為322.86 K，整流橋最高溫度為320.81K，散熱器最高溫度為317.92 K。穩(wěn)態(tài)下風(fēng)扇流量及元器件溫度如表2。散熱器正面溫度分布云圖和側(cè)面溫度分布云圖如圖3 所示。

圖3 散熱器正面及側(cè)面溫度分布云圖

由圖3 正面溫度分布云圖可知，散熱器最高溫度集中于中間4 個IGBT 處，散熱器上部及右下溫度最低。由圖3 側(cè)面溫度分布云圖可知，散熱器鰭片溫度沿翅高方向從外到內(nèi)逐漸增大，并有一半面積處于低溫區(qū)域［4-5］。

4 散熱器散熱效果分析及優(yōu)化

此散熱器原鰭片高度為165 mm，厚度為1 mm，鰭片數(shù)目為55，由于散熱器的散熱效果和鰭片高度、鰭片數(shù)目（鰭片間距）、鰭片厚度有關(guān)，所以需要從這三個方面分別來考察它們對散熱器散熱效果的影響：1）鰭片高度對散熱效果的影響。保持鰭片數(shù)目和鰭片厚度不變，鰭片高度從5mm變化到165mm，每隔10mm 求解一次。2）鰭片數(shù)目對散熱效果的影響。保持鰭片高度和鰭片厚度不變，鰭片數(shù)目從0 變化到65，每隔5 個鰭片數(shù)目求解一次。3）鰭片厚度對散熱效果的影響。保持鰭片高度和鰭片數(shù)目不變，鰭片厚度從0.5mm 變化到1.5mm，每隔0.1mm 求解一次。

仿真結(jié)果見圖4，從圖4 可以得到：1）元器件溫度隨散熱器鰭片高度的增加而降低，并且當(dāng)鰭片高度超過55 mm 后，溫降幅度很?。划?dāng)鰭片高度超過95 mm 后，溫降幾乎為0 K。2）元器件溫度隨散熱器鰭片數(shù)目的增加（鰭片間距減少）而降低，并且當(dāng)鰭片數(shù)目超過30 后，溫降幅度很?。划?dāng)鰭片數(shù)目超過50 后，溫降幾乎為0K。3）元器件溫度隨散熱器鰭片厚度的增加而降低，鰭片厚度從0.5mm 變化到1.5 mm，元器件溫降不超過2 K，并且溫降亦趨平緩。

由以上分析可知，對散熱器散熱效果影響最大的因素為鰭片高度和鰭片數(shù)目（鰭片間距），當(dāng)鰭片高度從5 mm變?yōu)?5 mm 時，降溫幅度超過20 K，當(dāng)鰭片數(shù)目從5 變?yōu)?0 時，降溫幅度超過19 K；雖然鰭片厚度也影響散熱性能，但和前兩者相比，幾乎可以忽略不計，而且當(dāng)鰭片厚度增加時，散熱器質(zhì)量急劇增大。綜上所述，散熱器優(yōu)化方案應(yīng)該從鰭片高度和鰭片數(shù)目（鰭片間距）入手，兼顧散熱余量和制造成本，故現(xiàn)將鰭片高度由165 mm 改為100 mm，鰭片數(shù)目由55 改為50。

圖4 元器件溫度變化曲線

對改進(jìn)后的模型再進(jìn)行一次仿真分析，最終得到穩(wěn)態(tài)下：風(fēng)扇出口流量為0.271 7 m3/s，IGBT 最高溫度為323.75 K，整流橋最高溫度為321.62 K，散熱器最高溫度為318.81 K，綜合表2 得到表3。改進(jìn)后散熱器側(cè)面溫度分布云圖如圖5 所示。

表3 改進(jìn)前后結(jié)果對比

從表3 可以看到，改進(jìn)后風(fēng)扇流量增加了2.72%，而IGBT、整流橋、散熱器的溫升不超過1 K。再對比改進(jìn)前后散熱器的質(zhì)量，由26.24 kg下降到19.69 kg，下降了24.96%，降幅非常明顯。從圖5 可以清楚看到，散熱器鰭片溫度分布較改進(jìn)前均勻很多，沒有出現(xiàn)大片低溫區(qū)域，即單位面積散熱效率更高。

圖5 改進(jìn)后散熱器側(cè)面溫度分布云圖

5 結(jié)論

本文對某高頻電源散熱器進(jìn)行了CFD 分析，得到了散熱器的溫度場及各元器件的溫度，比較并分析了散熱器在不同鰭片高度、鰭片數(shù)目、鰭片厚度條件下的散熱效果，得出如下結(jié)論：1）散熱器鰭片高度、鰭片數(shù)目、鰭片厚度都對散熱效果產(chǎn)生影響，相比鰭片厚度，前兩者對散熱器散熱效果影響較大。2）隨著鰭片高度和鰭片數(shù)目的增加，散熱效果逐漸增強(qiáng)，但超過一定數(shù)值之后，影響甚微。3）本散熱器通過合理優(yōu)化，可以保證在散熱效果不降低的情況下，降低重量約25%。

［1］林媛，彭浩.一種新型熱翅板式電子散熱器的模擬研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2009（3）：150-152.

［2］景莘慧，陳文鑫.大功率電源模塊的散熱設(shè)計［J］.電子機(jī)械工程，2003，19（1）：28-30.

［3］楊湘洪，鄭艷妮，厲春元.翅片熱板散熱器的設(shè)計［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2007，20（1）：68-69.

［4］陳超祥，胡其登.SolidWorks Simulation 高級教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：132-144.

［5］陳超祥，胡其登.SolidWorks Flow Simulation 教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：32-72.