基于Icepak的某電子機箱大功率模塊散熱分析與優(yōu)化

王立 周玉杰

摘 ? 要：電子機箱大功率模塊的散熱是產(chǎn)品設(shè)計中的一項重要環(huán)節(jié)。通常機箱中散熱器結(jié)構(gòu)采用型材散熱器。本文以某電子機箱強迫風(fēng)冷的散熱分析為例，利用Icepak軟件對該機箱結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，進行溫度場與風(fēng)速場的仿真計算，通過計算結(jié)果與風(fēng)道特性分析，在不過多增加加工成本的前提下對散熱器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，從而提高散熱性能。

關(guān)鍵詞：Icepak ?型材散熱器 ?散熱分析 ?強迫風(fēng)冷

中圖分類號：TP31 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0117-03

隨著電子產(chǎn)品的集成度及組裝度的不斷提高，產(chǎn)品內(nèi)各種模塊的功耗也在不斷增加，尤其是大功率模塊，如果不進行有效合理的散熱，會造成大功率模塊在工作過程中失效甚至損壞。大功率模塊的散熱問題是電子產(chǎn)品熱設(shè)計中的關(guān)鍵。

強迫風(fēng)冷散熱工作可靠，易于維修保養(yǎng)，成本相對較低，所以在需要散熱的電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)中被廣泛采用，同時也是大功率器件采取的主要冷卻方式[1]。其核心部分就是風(fēng)扇和散熱器。在當(dāng)今提倡降低成本的大環(huán)境下，型材散熱器成為了散熱結(jié)構(gòu)的首選。

1 ?電子機箱的仿真模型

本文中電子機箱為標準3U機箱，由前面板、后面板、左右側(cè)面板及上下蓋板組成，材料均為鋁合金。型材散熱器安裝于機箱中部，風(fēng)道為獨立風(fēng)道，各模塊緊貼散熱器基板安裝。兩個風(fēng)扇安裝于后面板左右兩側(cè)，內(nèi)部安裝兩個通風(fēng)罩，將散熱器風(fēng)道與風(fēng)扇連接起來。由于某些模塊功耗較小，因此模型簡化為僅考慮功耗較大的兩個大功率模塊及一個控制模塊，并且兩個大功率模塊均安裝在風(fēng)扇直接抽風(fēng)的風(fēng)道上。如圖1所示，其中圖1（a）為機箱三維模型，圖1（b）為機箱仿真模型。機箱計算區(qū)域尺寸為：460mm×424mm×132mm。

各個模塊的參數(shù)如表1所示。

型材散熱器的外形尺寸為：402mm×356mm×45mm，基板厚度為6mm，翅片厚度2mm，間距8mm，高度23mm。

風(fēng)扇的選型依據(jù)是由經(jīng)驗公式計算出散熱所需的風(fēng)量，根據(jù)該風(fēng)量來選擇風(fēng)扇。所需風(fēng)量的計算公式為：

（1）

式中：Q為所需風(fēng)量（m3/s）;ρ為空氣的密度（kg/m3）;Cp為空氣的定壓比熱（J/kg·℃）;W為整機功耗（W）;Δt為空氣的溫升（℃），文中溫升取值為30℃。

實際情況中由于風(fēng)阻的存在，風(fēng)扇并不是工作在最大風(fēng)量處的，因此風(fēng)扇工作點的風(fēng)量值小于風(fēng)扇最大風(fēng)量值。選擇風(fēng)扇時，風(fēng)扇的最大風(fēng)量值一般按計算所得風(fēng)量值的兩倍以上取值。通過計算及適當(dāng)?shù)姆糯笥嗔?，選擇型號為Sanyo-Denki.109E5712K502的軸流風(fēng)扇，該風(fēng)扇的特性曲線如圖2所示。

2 ?熱仿真計算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 仿真計算及分析

環(huán)境溫度設(shè)置為20℃，空氣流動狀態(tài)為湍流。在Icepak軟件中通過參數(shù)設(shè)定、網(wǎng)格劃分以及仿真計算得到的計算結(jié)果如圖3、圖4所示。

通過計算得到3個模塊的溫度分布圖和空氣的速度分布圖。系統(tǒng)最高溫度約為46℃，溫升26℃，平均溫度42.6℃。在高溫環(huán)境下，26℃的溫升有可能會影響大功率模塊的可靠性及使用壽命。從圖3中可以看出，高溫區(qū)域集中在中間位置。從圖4中可以看出，空氣流動主要集中在風(fēng)扇直接工作的左右兩側(cè)風(fēng)道中，而中間部位空氣流動較少。由此可見，如何提高中間散熱部位的利用率是提高系統(tǒng)散熱性能的關(guān)鍵。

2.2 散熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

改善機箱散熱性能最直接的方式是對散熱器進行優(yōu)化，翅片厚度、翅片間距及基板厚度對散熱器的散熱性能有很大影響[3]。但是過大改變結(jié)構(gòu)的話可能會對整個系統(tǒng)的性能及產(chǎn)品的經(jīng)濟性造成影響，因此很多情況下的熱設(shè)計工作是根據(jù)現(xiàn)有散熱結(jié)構(gòu)進行局部優(yōu)化。

對于強迫風(fēng)冷的情況，風(fēng)扇的位置及空氣的流動狀況影響散熱效果[4]。該機箱中風(fēng)扇位于后面板兩側(cè)，散熱器風(fēng)道為直通道，中間部位通風(fēng)率較低，通過增加兩塊擋風(fēng)板，并且加工去除部分散熱器翅片，使中間部位風(fēng)道中的空氣能夠更好的流通，從而到達提高系統(tǒng)散熱性能的目的。

計算得到優(yōu)化后的溫度與速度分布如圖5、圖6所示。

優(yōu)化后系統(tǒng)最高溫度約為40.9℃，溫升20.9℃，平均溫度為38.2℃。相比原結(jié)構(gòu)，散熱性能得到了較大的提升，最高溫度降低5℃，平均溫度降低4.4℃。從圖6中可以看出，有更多的空氣通過散熱器中部的風(fēng)道，并且空氣流動的紊亂程度也比原結(jié)構(gòu)的大。增加空氣流動的紊亂程度可以增大雷諾數(shù)，從而提高散熱性能[5]。

3 ?結(jié)語

型材散熱器較機加工的散熱結(jié)構(gòu)可以減少數(shù)倍甚至數(shù)十倍成本，在大功率電子機箱熱設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用。本文介紹了通過Icepak軟件對某電子機箱大功率模塊進行散熱分析，根據(jù)計算所得的溫度分布圖與速度分布圖對系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)及風(fēng)道特性進行分析，通過安裝擋風(fēng)板、改進風(fēng)道結(jié)構(gòu)等優(yōu)化手段，在不對散熱器結(jié)構(gòu)進行大改動的前提下，改善了內(nèi)部空氣的流動性，提高了系統(tǒng)散熱性能。

參考文獻

[1] 張忠海.電子設(shè)備中高功率器件的強迫風(fēng)冷散熱設(shè)計[J].電子機械工程，2005，21（3）：12-21.

[2] 毛佳，程凱，雷陽.ANSYS Iecpak及Workbench結(jié)構(gòu)熱力學(xué)仿真分析[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[3] 盛重，陳曉青.功放芯片熱分析及散熱片結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].電子與封裝，2015，15（2）：44-48.

[4] 孫艷.Icepak軟件在加固計算機熱設(shè)計中的應(yīng)用[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2013，23（3）：215-217.

[5] E. Baker.Liquid Immersion Cooling of Small Electronic Devices[C].SDOL Microelectronic and reliability，1973，163-173.