大功率电源模块的散热设计

定义厚度、温度、表面换热系数、热流密度等参数来模拟机柜外壳的物理特性。而如何设定上述参数，对于客观、科学的模拟现实问题、得出较准确的预测结果具有非常重要的意义。

Openings 则明确定义了热源区域同外部环境的换热通道，它一般用来表示实体壁面上的开孔。相对于无表面换热的cabinet 而言，opening 则是热量交换的重要门户。本文中无需设定walls, 我们在cabinet 的六个面上依次创建了opening , 表示求解区域同外部环境之间的空气流通和热量交换的通道。

保持ICEPAK 对求解参数的默认设置，求解过程约需40 分钟。从图1 可以看出：功率管表面的最高温度为102°C（模型中有六个openings ,迭代次数为140），与理论计算值相符。改变模型中的相关参数，我们对散热器进行了优化设计，结果表明：散热器底板厚度为6mm比较适合， 另外， 不宜为了增加肋片数目而过度减小肋片间距， 最终取8.6mm 。

图1 自然对流条件下功率管散热的温度与风速云图

尽管散热器的参数优化对温升控制略有改善，但仍不能满足功率管的可靠性要求，因此，我们考虑强迫风冷的散热方式。在上述计算模型的基础上，我们在垂直方向设定流体的流速为1.5m/s , 即在散热器底部送风，其他参数不变。我们注意到，此时系统给出的流态为紊流。在初始条件中作相应的调整后，最终求得的器件表面最高温度约为89°C。散热器底板截面温度图及横向风速云图分别见图2、3。

图2 强迫对流条件下功率管散热的温度云图

图3 强迫对流条件下功率管散热的风速云图

在求解过程中我们注意到：迭代的次数对最终结果有比较大的影响，因此如何恰当设定迭代的次数及残余误差值得进一步深入探讨。.

结论

本文对四个50W 的大功率管进行了散热设计。最终采取空气强迫对流方式。散热器采用铝合金，用型材加工，表面作黑色阳极氧化处理，具体尺寸如下：

底板规格：150mm（高）×200mm（长）×6mm（厚）；

肋片形式：矩形等截面肋；

肋片厚度：1.3mm；

肋片间距：8.6mm（共36 片肋片）；

肋片高度：70mm；

在自然冷却的条件下，功率管的壳温约为102℃，对应的散热器热阻为0.26 ℃/W ；在1.5m/s 的风冷条件下，功率管的壳温约为89℃，散热器热阻则为0.20 ℃/W, 满足设计要求。