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

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某功率單元強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱分析和優(yōu)化

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

摘要:隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的散熱問題顯得越來越重要。以理論分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)某功率單元整體溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，采用有限元的方法，進(jìn)行數(shù)值分析。重點(diǎn)分析不同風(fēng)機(jī)、不同翅片散熱器下，功率單元溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布趨勢(shì)。得到采用引風(fēng)機(jī)、翅片較密的散熱器(62個(gè)翅片)，能夠達(dá)到最佳的散熱效果，滿足實(shí)際工程需要，有利于功率單元長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞:強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱;功率單元;數(shù)值模擬;速度場(chǎng);溫度場(chǎng)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的需要，電子技術(shù)得到迅猛的發(fā)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(yīng)熱環(huán)境的差異性更大的方向發(fā)展［1］。電子產(chǎn)品的這些發(fā)展對(duì)其散熱的要求也越嚴(yán)格，文獻(xiàn)［2］中指出，半導(dǎo)體元件溫度升高10℃，可靠性將降低50%。單位體積內(nèi)熱耗散程度的增加，導(dǎo)致發(fā)熱量和溫度急劇上升，由于熱驅(qū)動(dòng)引起機(jī)械、化學(xué)、電氣等方面的問題越來越嚴(yán)重，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性［3－4］。目前大多數(shù)文獻(xiàn)多集中在電腦的CPU的散熱模擬分析、翅片管的傾斜度對(duì)溫度場(chǎng)的影響等電子設(shè)備溫度場(chǎng)的分布情況的進(jìn)行數(shù)值模擬［5］，而在實(shí)際工程中應(yīng)用的相對(duì)較少。

由于不同的環(huán)境條件，散熱器的選取，功率器件的布置等因素對(duì)散熱效果影響較大。因此應(yīng)綜合考慮各因素，采用適當(dāng)?shù)牟贾美鋮s方式達(dá)到最佳的散熱效果是功率模塊正常運(yùn)行的可靠保證。

1　熱分析主要方法

任何熱分析和流場(chǎng)分析都是依賴傳熱學(xué)和流體力學(xué)這兩大基礎(chǔ)理論，具體的熱傳導(dǎo)方式有導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱。

1．1導(dǎo)熱

導(dǎo)熱的基本數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

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

1．2對(duì)流換熱

對(duì)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(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K) ; Tw為固體表面的溫度，K; Tf為周圍流體的溫度，K。

實(shí)際對(duì)流換熱是一個(gè)復(fù)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(jì)算:

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

結(jié)合實(shí)際的工況輻射對(duì)整個(gè)散熱的影響很小，模擬中為了提高計(jì)算效率，忽略輻射帶來的影響［10］。

1．4理論風(fēng)量計(jì)算

選擇合理的情況下，所選風(fēng)機(jī)能將熱量排出設(shè)備外，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量應(yīng)該能夠?qū)㈦娮釉O(shè)備所發(fā)出的熱量全部帶走，根據(jù)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(fā)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(shí)際工程中考慮到風(fēng)量的漏風(fēng)，提高散熱器的可靠性，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，要把得到的風(fēng)量乘以1．5～2．0的系數(shù)才是選擇風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。

2　熱分析工程應(yīng)用

2．1數(shù)值求解的步驟

采用有限元的方法進(jìn)行數(shù)值分析主要包括建模(根據(jù)實(shí)際工程產(chǎn)品的需要進(jìn)行建立)、設(shè)置邊界條件(主要包括環(huán)境溫度、電子元器件功耗等)、劃分網(wǎng)格和后處理等。

在熱分析過程中，關(guān)鍵的步驟就是建模和設(shè)置邊界條件。如何把實(shí)際工程中復(fù)雜的模型在不影響其模擬精度的情況下對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而建立合理的模型，邊界條件的考慮的準(zhǔn)確輸入時(shí)保證精度的另一重要條件，這都需要大量的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)［13－14］。

2．2熱分析模型建立

在建模時(shí)，根據(jù)實(shí)際功率模塊的結(jié)構(gòu)，按1: 1創(chuàng)建模塊機(jī)箱，創(chuàng)建散熱器、母線電容，驅(qū)動(dòng)板底板，最后創(chuàng)建絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、吸收電容、電阻、驅(qū)動(dòng)板和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接板、風(fēng)扇和通風(fēng)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(gè)IGBT，兩個(gè)吸收電容，兩個(gè)吸收電阻，一個(gè)驅(qū)動(dòng)板，十個(gè)母線電容，整個(gè)系統(tǒng)有3個(gè)風(fēng)扇和3個(gè)通風(fēng)口，兩個(gè)側(cè)面壁面與外界進(jìn)行自然對(duì)流換熱，忽略輻射換熱。為了保證散熱的效果，發(fā)熱元件的表面默認(rèn)為材質(zhì)Cu。采用有限元數(shù)值分析方法可以看到各個(gè)發(fā)熱元件的發(fā)熱情況，得到溫度和流場(chǎng)分布。邊界主要包括流體邊界和溫度場(chǎng)邊界，具體邊界條件參數(shù)如表1所示。

表1　邊界條件

2．4模型熱分析求解及計(jì)算結(jié)果分析

在實(shí)際的工程中為了保證機(jī)柜的尺寸，散熱器的尺寸是一個(gè)定值，在此基礎(chǔ)上分析風(fēng)機(jī)選用送風(fēng)機(jī)還是引風(fēng)機(jī)對(duì)散熱效果的影響;散熱器在不同翅片的情況下對(duì)整體換熱效果的影響。通過對(duì)比得出有利于工程實(shí)際的結(jié)論。

對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行求解前，需要設(shè)置迭代步數(shù)和收斂標(biāo)準(zhǔn)。利用有限元分析流動(dòng)和傳熱問題時(shí)，求解需要開啟連續(xù)方程，動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。計(jì)算過程中，各個(gè)方程都滿足收斂條件才可以繼續(xù)求解。

2．4．1不同風(fēng)機(jī)下仿真分析

采用相同的散熱器，風(fēng)機(jī)分別為引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)時(shí)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的對(duì)比如圖2所示。

由圖2可以看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)為引風(fēng)機(jī)時(shí)，高風(fēng)速恰好出現(xiàn)在風(fēng)機(jī)口和相對(duì)發(fā)熱量較高的IGBT散熱器區(qū)域。當(dāng)風(fēng)機(jī)為送風(fēng)機(jī)時(shí)，僅在風(fēng)機(jī)入口處出現(xiàn)高風(fēng)速，在散熱器熱負(fù)荷高的地方風(fēng)速反而相對(duì)較低，影響整體的散熱效率。

圖2　不同風(fēng)機(jī)類型下溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)

對(duì)比引風(fēng)和送風(fēng)情況下溫度場(chǎng)的分布優(yōu)劣更加明顯，使用引風(fēng)機(jī)時(shí)散熱效果更好，最高溫度較采用送風(fēng)機(jī)時(shí)低20℃以上，整體溫度場(chǎng)溫度都相對(duì)較低，均勻性較好，母線電容區(qū)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(fēng)機(jī)較好。

2．4．2不同散熱器下仿真分析

由前面的研究表明，風(fēng)機(jī)采用引風(fēng)機(jī)更符合實(shí)際工程的需要。在風(fēng)機(jī)和散熱器尺寸確定的基礎(chǔ)上，肋片散熱器具有增大散熱面積，提高散熱效率的優(yōu)勢(shì)。但是肋片過密會(huì)造成風(fēng)阻，在一定程度上影響風(fēng)的流速，除此之外，對(duì)后期的翅片的清潔也帶來一定的不便。選取合適翅片數(shù)的散熱器決定散熱效率的同時(shí)也保證后期維護(hù)的方便。在此保證相同風(fēng)機(jī)入口風(fēng)速，肋片厚度的情況下，分別對(duì)42片翅片、62片翅片散熱器的散熱的溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。具體散熱器溫度場(chǎng)分布如圖3所示。

圖3　不同翅片數(shù)散熱器溫度場(chǎng)

從圖3可以看出，采用翅片密的散熱器的溫度場(chǎng)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(yùn)行。采用稀疏的翅片散熱器時(shí)，入口風(fēng)速較高，所以在風(fēng)機(jī)入口處的溫度相對(duì)較低，但實(shí)際發(fā)熱元件所處的位置決定了高風(fēng)速區(qū)沒有出現(xiàn)在高散熱負(fù)荷的地段，散熱器沒達(dá)到最好的散熱效率，從而導(dǎo)致電子元件表面溫度較高，不利于實(shí)際工程中功率單元可靠運(yùn)行。

不同類型下器件表面最高溫度的對(duì)比如表2所示。

表2　IGBT表面最高溫度

3　結(jié)論

(1)對(duì)于該功率單元，由于實(shí)際結(jié)構(gòu)中各發(fā)熱電子元件數(shù)量和位置已確定。這些都決定采用引風(fēng)機(jī)比采用送風(fēng)機(jī)對(duì)提高整體散熱效率更具有優(yōu)勢(shì)。通過模擬可以發(fā)現(xiàn)，該單元采用引風(fēng)機(jī)時(shí)在需要換熱量多的地方出現(xiàn)高風(fēng)速。從而采用引風(fēng)機(jī)時(shí)，該功率單元整體溫度場(chǎng)的最高溫度較采用送風(fēng)機(jī)時(shí)降低15℃。

(2)在散熱器尺寸一定，保證換熱效果的情況下，對(duì)相同的風(fēng)機(jī)入口風(fēng)速下對(duì)不同翅片下的散熱器進(jìn)行溫度場(chǎng)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(chǎng)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?？煽康倪\(yùn)行，在實(shí)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(fēng)機(jī)，翅片相對(duì)較密的散熱器(62片)才能滿足實(shí)際工程需要，保證功率單元運(yùn)行的可靠性。

參考文獻(xiàn):

［1］李慶友，王文，周根明．電子元器件散熱方法研究［J］．電子器件，2005，28(4) : 937－941．

［2］云和明，程林．基于CFD的電子器件散熱最優(yōu)間距的數(shù)值研究［J］．電子器件，2007，30(4) : 1181－1187．

［3］劉衍平，高新霞．大功率電子器件散熱系統(tǒng)的數(shù)值模擬［J］．電子器件，2007，30(2) : 608－611．

［4］陳潔茹，朱敏波，齊穎．Icepak在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．電子機(jī)械工程，2005，21(1) : 14－16．

［5］薛軍，孫寶玉，劉巨，等．熱分析技術(shù)在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，28(2) : 176－179．

［6］楊世銘，陶文銓．傳熱學(xué)［M］．北京:高等教育出版社，1998．

［7］曠建軍，林周布，張文雄，等．電力電子器件強(qiáng)制風(fēng)冷用新型散熱器的研究［J］．電力電子技術(shù)，2002，36(2) : 72－73．

［8］程鵬，蘭海，羅耀華．整流器件分析及其風(fēng)冷散熱器的仿真研究［J］．計(jì)算機(jī)仿真，2011，28(11) : 275－278．

［9］張志軍，劉云，付喜宏，等．百瓦級(jí)半導(dǎo)體激光器模塊的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)分析［J］．發(fā)光學(xué)報(bào)，2012，33(2) : 187－191．

［10］賀榮，龔曙光，李純，等．基于Fluent的水冷板式散熱器數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究［J］．流體機(jī)械，2010，38(2) : 57－60．

［11］張忠海．電子設(shè)備中高功率器件的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)［J］．電子機(jī)械工程，2005，21(3) : 18－21．

［12］呂倩，馮剛英．一種機(jī)載設(shè)備的風(fēng)冷散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．電訊技術(shù)，2007，47(3) : 192－194．

［13］方志強(qiáng)，付桂翠，高澤溪．電子設(shè)備熱分析軟件應(yīng)用研究［J］．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，29(8) : 727－740．

［14］宋威．電子器件風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的流動(dòng)與傳熱性能研究［D］．華中科技大學(xué)，2011．

肖　晉(1981－)，男，漢族，山西大同人，碩士，工程師，從事電力設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作;

朱新華(1976－)，男，漢族，河南周口人，學(xué)士，工程師，從事電力設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作;

王　艷(1989－)，女，漢族，河南周口人，碩士，從事熱設(shè)計(jì)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(hào):TK124

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015) 02－0283－04