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        大功率電源模塊的散熱優(yōu)化

        2021-05-21 08:42:08中國船舶集團(tuán)有限公司第七一五研究所俞青鋒葛新法
        電子世界 2021年8期
        關(guān)鍵詞:效率優(yōu)化

        中國船舶集團(tuán)有限公司第七一五研究所 俞青鋒 葛新法

        針對(duì)某艦載設(shè)備的電源模塊散熱問題,采用熱管技術(shù)及更換高效率的DC/DC模塊進(jìn)行散熱優(yōu)化,借助仿真軟件進(jìn)行熱分析,并對(duì)電源模塊進(jìn)行模擬負(fù)載熱測(cè)試及優(yōu)化前后的對(duì)比試驗(yàn)。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明:電源模塊的熱功耗對(duì)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(shù)等結(jié)構(gòu)散熱優(yōu)化同樣有一定降溫效果,綜合散熱優(yōu)化方案提高了電源模塊的可靠性。

        目前,很多文章對(duì)電源散熱的分析主要集中在結(jié)構(gòu)的散熱特性分析上,比如均溫板導(dǎo)熱與風(fēng)冷散熱器優(yōu)化等,而對(duì)主要發(fā)熱器件DC/DC模塊效率影響分析涉及較少。本文針對(duì)某艦載設(shè)備的電源模塊存在的散熱問題,借助仿真軟件進(jìn)行熱分析,采用熱管技術(shù)與高效率DC/DC模塊優(yōu)化散熱,并進(jìn)行模擬負(fù)載熱測(cè)試,驗(yàn)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(shè)計(jì)提供一定的設(shè)計(jì)參考。

        1 電源模塊熱設(shè)計(jì)

        1.1 問題描述

        某艦載設(shè)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(dǎo)到上導(dǎo)軌水冷板及下導(dǎo)軌水冷板,再由冷卻水對(duì)導(dǎo)軌水冷板進(jìn)行熱對(duì)流帶走熱量。液冷源提供的進(jìn)水水溫為20℃,體積流量為2.2L/min,從上導(dǎo)軌水冷板流入,再由下導(dǎo)軌水冷板流出。

        該電源模塊采用標(biāo)準(zhǔn)6U VPX板卡結(jié)構(gòu),其主要發(fā)熱器件是一個(gè)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(fù)載工作時(shí)最低效率為86%。

        電源模塊工作時(shí)產(chǎn)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(chǎn)生的功耗:

        1.2 熱仿真分析

        通過仿真軟件進(jìn)行熱仿真,兩塊電源模塊滿負(fù)載輸出時(shí)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(jié)果表明:冷板外表面的最高溫度出現(xiàn)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(dá)1.5W/cm2,造成中心位置局部溫度過高,導(dǎo)致冷板溫度分布不均衡,熱量難以快速傳導(dǎo)出去。但仍滿足工作溫度小于100℃的要求。

        然而實(shí)際使用中,由于設(shè)備機(jī)柜未合理分配流阻,導(dǎo)致設(shè)備的實(shí)際進(jìn)水流量約為1L/min。進(jìn)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(jìn)行模塊的散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        2 散熱優(yōu)化及仿真

        2.1 優(yōu)化方案

        為了降低電源模塊的溫度,采取兩種優(yōu)化散熱方案。

        方案一:采用熱管散熱技術(shù),提高冷板傳導(dǎo)能力。在電源模塊冷板內(nèi)部布置一些熱管,將模塊局部的大熱耗迅速傳導(dǎo)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(shí)效率最低為94%的DC/DC模塊電源。則滿負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的熱功耗PD為38.3W,相應(yīng)得熱流密度減小至0.58 W/cm2。

        2.2 優(yōu)化方案的熱仿真

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

        仿真結(jié)果表明:方案一時(shí),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(duì)方案二進(jìn)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(cè)試試驗(yàn)

        3.1 試驗(yàn)平臺(tái)

        對(duì)原電源模塊及散熱優(yōu)化后的兩種方案進(jìn)行溫度測(cè)試試驗(yàn),驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性及散熱方案的改進(jìn)效果。再通過模擬DC/DC模塊電源發(fā)熱,測(cè)量在不同功耗下冷板表面溫度的最高溫度,研究發(fā)熱功耗對(duì)溫升起到的影響情況。

        試驗(yàn)平臺(tái)主要由以下設(shè)備組成(表1)。

        表1 試驗(yàn)設(shè)備明細(xì)表

        3.2 試驗(yàn)結(jié)果

        電源模塊的轉(zhuǎn)換功率η可按下式計(jì)算:

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

        電源模塊穩(wěn)定工作約30min后達(dá)到熱平衡,冷板表面各測(cè)點(diǎn)的溫度如表3所示。

        表2 DC/DC模塊電源的實(shí)際效率及熱功率

        表3 冷板表面各測(cè)點(diǎn)的溫度

        由表2可知,高溫時(shí)滿負(fù)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(shí)際溫度與仿真溫度偏差在3%以內(nèi),仿真結(jié)果基本可信。熱管技術(shù)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(fā)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,可以得出以下結(jié)論:

        (1)熱管方案等結(jié)構(gòu)散熱優(yōu)化對(duì)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(duì)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(jié)束語:針對(duì)某艦載設(shè)備大功率電源模塊的散熱問題,仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明:大功耗電源模塊的散熱優(yōu)化重點(diǎn)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(jié)構(gòu)散熱優(yōu)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。

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