大功率電源模塊的散熱優(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，可以通過測量的電壓U和電流I測得。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。