基于Icepak的電網(wǎng)保護裝置熱設(shè)計研究

周輝，鄭立亮，沈敏，夏雨，甘云華，周華良,3，王新春

(1. 南瑞集團(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3. 智能電網(wǎng)保護與運行控制國家重點實驗室，江蘇 南京 211106)

0 引言

自主可靠、可控、安全穩(wěn)定運行是智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，近期貿(mào)易爭端進一步推動了電力行業(yè)芯片與器件的國產(chǎn)化進程。然而在實際應(yīng)用中，國產(chǎn)芯片在功耗與熱穩(wěn)定性方面與進口芯片都存在較大差距，但裝置內(nèi)部元器件的功率密度卻在提升。電子設(shè)備工作時，功率損失一般都會轉(zhuǎn)化為熱能。據(jù)統(tǒng)計，55%的失效故障都是因溫度超過規(guī)定值而導(dǎo)致，且失效率隨溫度增加呈指數(shù)增長趨勢[1]。因此，為保證設(shè)備長期、穩(wěn)定地運行，熱設(shè)計是必不可少的環(huán)節(jié)，科學(xué)合理的熱設(shè)計方法至關(guān)重要[2]。

某型采用國產(chǎn)元器件的電網(wǎng)保護裝置，因工作環(huán)境嚴(yán)酷、性能指標(biāo)嚴(yán)格，加上密封的箱體結(jié)構(gòu)，其熱設(shè)計的難度較大。如何選用合理有效的散熱方式與散熱結(jié)構(gòu)，確保國產(chǎn)元器件在極限溫度下按預(yù)定參數(shù)正常、可靠地工作是本文研究的重點。

1 裝置結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計參數(shù)

裝置外形尺寸為442mm×292mm×175mm，采用插件式結(jié)構(gòu)設(shè)計，整體封閉。外殼選用鋁合金板料，用螺栓連接。內(nèi)部由背板分隔成前艙與后艙，前艙用于操作面板與液晶模塊的信號接入，后艙通過導(dǎo)軌安裝DSP、CPU與SV-TX等功能模塊插件，各功能模塊插件上按需配置散熱器，并通過無源背板實現(xiàn)電氣互聯(lián)，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)爆炸圖

裝置要求在-40℃～70℃的環(huán)境溫度下無間斷工作。從機箱背視圖看，各功能模塊插件的規(guī)劃位置見圖2。其中DC模塊熱耗8W，BI模塊、AI 模塊、BO模塊熱耗均為1W，SV-TX模塊、DSP模塊、CPU模塊熱耗由印制板、芯片與光模塊熱耗相加構(gòu)成，裝置總熱耗約40W。其主要發(fā)熱芯片的熱耗與最高允許溫度見表1。

圖2 裝置功能模塊插件規(guī)劃布局

表1 主要發(fā)熱芯片熱設(shè)計參數(shù)

1.2 冷卻方式選擇

冷卻方式的選擇直接影響到裝置的組裝設(shè)計、可靠性與成本。自然冷卻(導(dǎo)熱、自然對流和輻射換熱的單獨作用或兩種以上換熱形式的組合)設(shè)計簡單、可靠性高，成本低，而且不需要冷卻劑驅(qū)動裝置，避免了因機械磨損或故障影響系統(tǒng)可靠性的弊病[3]。在滿足電氣性能與可靠性指標(biāo)的前提下，裝置優(yōu)先考慮自然冷卻的散熱方式。

根據(jù)傳熱學(xué)模型，密閉結(jié)構(gòu)的裝置機箱主要通過與周圍空氣的對流和向空間的輻射來散熱，其總散熱量的計算公式為[4]

(1)

式中：Φ為密閉結(jié)構(gòu)的裝置機箱總散熱量，W；As為機箱的側(cè)面面積，m2；At為機箱的頂面面積，m2；Ab為機箱的底面面積，m2；Ar表示參與輻射的機箱表面積，m2；ΔT為箱體表面相對于環(huán)境的溫升，K；σ為箱體輻射常數(shù)，約5.67×10-8W/(m2·K4)；ε為箱體表面平均發(fā)射率，取ε=0.86；Tm=(Ts+Ta)/2，其中Ts為裝置機箱表面平均熱力學(xué)溫度，K；Ta為環(huán)境熱力學(xué)溫度，K。

由于裝置表面溫度的升高會影響操作環(huán)境的舒適性，根據(jù)研制規(guī)范要求，箱體表面相對于環(huán)境的溫升應(yīng)不超過10K[5]。取ΔT=10K，Ts=348K，Ta=343K，Tm=345.5K。Ar=As+At+Ab，As=0.257m2，At=0.129m2，Ab=0.129m2，Ar=0.515m2。

按公式(1)計算：Φ=58.5W>40W，即自然冷卻方式下的裝置總散熱量大于內(nèi)部各模塊插件的總熱耗。

1.3 熱設(shè)計

上述計算確認(rèn)了裝置自然冷卻的散熱方式，但設(shè)備仍可能存在局部過熱問題，尤其是在70℃極限溫度下持續(xù)工作一段時間后，芯片溫度可能超過最高允許溫度，影響設(shè)備的性能與可靠性[5]。為此，對該型電網(wǎng)保護裝置重點考慮了以下零組件的散熱設(shè)計。

1)印制板與元器件的散熱

通過增加印制板覆銅層厚度、層數(shù)、覆銅面積、加寬印制線寬度、增加熱過孔等措施，提高其導(dǎo)熱性能[6]。在滿足性能參數(shù)的前提下，優(yōu)先選用熱耗較小、結(jié)溫高、熱阻低和耐溫性好的工業(yè)級器件。將熱耗大的元器件位置均勻分散，熱敏感元器件遠(yuǎn)離熱源或?qū)⑵涓綦x。此外，器件的位置與排列應(yīng)便于散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計與安裝。

2)散熱器結(jié)構(gòu)形式的選擇

根據(jù)設(shè)備研制規(guī)范，當(dāng)印制板上元器件的熱流密度超過0.4W/cm2時應(yīng)采取適當(dāng)措施，將熱量有效地傳導(dǎo)到熱沉上。對于功率管器件，選擇插裝式散熱器，與功率管組裝后焊接在印制板上。對于國產(chǎn)高功耗的CPU、FPGA芯片，選擇型材散熱器，用螺釘方式固定。使用導(dǎo)熱硅脂或?qū)嵋r墊填充散熱器與芯片的間隙，并保證足夠接觸壓力，減小接觸熱阻。

3)裝置機箱的設(shè)計

選擇機械強度高、導(dǎo)熱性好的鋁合金6063作為裝置箱體材料，對箱體與散熱器表面做導(dǎo)電氧化處理。在裝置內(nèi)部采用插頭、插座連接各模塊印制板，減少連接電纜，便于空氣流通，避免熱量在機箱內(nèi)部循環(huán)。在箱體兩側(cè)壁安裝防水透氣閥，平衡內(nèi)外氣壓，利于設(shè)備的散熱[7]。

2 熱仿真與改進

Icepak是一款基于有限元法，針對電子產(chǎn)品的熱仿真軟件，且集幾何建模、網(wǎng)格生成、求解和后處理功能為一體。器件級、印制板級與系統(tǒng)級的散熱問題都可以利用Icepak進行仿真計算，該軟件廣泛應(yīng)用于電力電子、通信、航空航天等領(lǐng)域[8-9]。

2.1 模型簡化與仿真參數(shù)設(shè)置

對物理模型進行簡化可以提高仿真效率，更有針對性地分析問題。通過移除面板與插件的連接器，去除倒角、圓角特征，刪除與仿真無關(guān)的零組件，將發(fā)熱量小的功能模塊熱耗均化后建立板級模型，將發(fā)熱量大且芯片熱流密度高的功能模塊建立芯片級模型等措施，建立如圖3所示的熱仿真簡化模型，并為各功能模塊建立Assemblies裝配體，設(shè)定網(wǎng)格邊界。

圖3 簡化后的裝置熱仿真模型

其他主要仿真參數(shù)設(shè)置如下：

求解類型：穩(wěn)態(tài)；

環(huán)境溫度：70℃(裝置允許的最高環(huán)境溫度)；

流態(tài)：湍流；

環(huán)境壓力：101325 Pa；

輻射模型：Ray tracing光線追蹤輻射換熱模型；

網(wǎng)格類型：Mesher-HD，非連續(xù)性網(wǎng)格。

2.2 仿真計算結(jié)果與分析

求解得到環(huán)境溫度70℃時機箱達到熱穩(wěn)態(tài)時的溫度分布，圖4為裝置截面溫度云圖。結(jié)果顯示，熱量主要集中在箱體內(nèi)部DSP與CPU功能模塊區(qū)域，其中DSP模塊CPU芯片A結(jié)溫119.7℃，F(xiàn)PGA芯片A結(jié)溫113.3℃，F(xiàn)PGA芯片B結(jié)溫113.7℃，CPU模塊CPU芯片B結(jié)溫120.9℃，F(xiàn)PGA芯片C結(jié)溫113.8℃，F(xiàn)PGA芯片D結(jié)溫114.1℃，均已超過其最高允許溫度。因此，需要進行散熱結(jié)構(gòu)改進，將溫度控制在許用范圍內(nèi)，并留有一定的安全余量。

圖4 裝置截面溫度云圖

2.3 設(shè)計改進

根據(jù)熱設(shè)計原理，提高設(shè)備散熱效率的主要措施有：選用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料，擴大散熱表面積，增大與環(huán)境的換熱系數(shù)，增大物體表面發(fā)射率和減小接觸熱阻等[5]。本裝置擬采取下列改進措施。

1)在硬件資源允許的情況下，將高功耗插件按圖5間隔配置，均衡熱量分布。

圖5 裝置各功能模塊插件調(diào)整后的布局

2)在散熱器基板內(nèi)埋入熱管以快速分散熱量，使用導(dǎo)熱系數(shù)高、質(zhì)地柔軟的導(dǎo)熱凝膠填充芯片與散熱器間隙，實現(xiàn)低內(nèi)應(yīng)力條件下界面熱量傳導(dǎo)[6]，如圖6所示。

圖6 散熱器熱管與導(dǎo)熱凝膠的設(shè)計

3)針對DSP與CPU功能模塊，在滿足裝置防塵等級前提下，設(shè)計如圖7所示獨立風(fēng)道結(jié)構(gòu)。功能模塊按圖中箭頭指示方向，通過印制板導(dǎo)向槽插入裝置機箱，風(fēng)道蓋板、散熱器、風(fēng)道支架與擋板散熱孔共同構(gòu)成與外部環(huán)境連通的氣流腔體。獨立風(fēng)道結(jié)構(gòu)增強了自然散熱時空氣流通速率，提升了高功耗模塊與外部環(huán)境的散熱效率。

圖7 高功耗模塊的獨立風(fēng)道散熱結(jié)構(gòu)

按上述改進措施更新仿真模型，重新求解環(huán)境溫度70℃時機箱達到熱穩(wěn)態(tài)時的溫度分布。圖8為改進后裝置截面的溫度云圖；圖9、圖10分別為改進后DSP模塊、CPU模塊表面的溫度云圖。表2為改進前后關(guān)鍵芯片溫度仿真結(jié)果對比。

圖8 改進后裝置截面溫度云圖

圖9 改進后DSP功能模塊表面溫度云圖

圖10 改進后CPU功能模塊表面溫度云圖

表2 改進前后關(guān)鍵芯片溫度仿真結(jié)果對比 單位：℃

表2對比結(jié)果顯示，通過設(shè)計改進，CPU、FPGA等關(guān)鍵國產(chǎn)芯片最高溫度下降約8℃～11℃，均低于其最高允許溫度，且留有一定安全余量。此外，圖11所示裝置截面的氣流速度云圖也表明，由于采用獨立風(fēng)道散熱結(jié)構(gòu)，風(fēng)道區(qū)域內(nèi)空氣流速增大，對流換熱效率提高，高功耗芯片的熱量傳遞至散熱器翅片后，能在風(fēng)道結(jié)構(gòu)中被有效帶出至外部環(huán)境。

圖11 裝置截面獨立風(fēng)道區(qū)域的氣流速度云圖

3 實驗驗證

為驗證熱設(shè)計及仿真結(jié)果的有效性，按改進后的方案制造樣機，裝置主要發(fā)熱芯片的熱耗見表1。在CPU與FPGA芯片正表面固定鉑電阻溫度傳感器，通過機箱外殼小孔引出，如圖12所示。將裝置放入標(biāo)準(zhǔn)溫度試驗箱VC37060，設(shè)置環(huán)境溫度70℃，進行高溫運行實驗。引出溫度傳感器連接到數(shù)據(jù)采集終端，通過計算機讀取、處理后得到關(guān)鍵芯片的結(jié)溫數(shù)據(jù)。

圖12 裝置高溫運行實驗

設(shè)備開機正常運行8h后，記錄熱平衡時各關(guān)鍵芯片溫度，見表3。數(shù)據(jù)顯示實測值比仿真結(jié)果低，偏差在7%之內(nèi)。

表3 高溫運行實驗關(guān)鍵芯片實測溫度與仿真結(jié)果對比

4 結(jié)語

本文針對某電網(wǎng)保護裝置進行熱設(shè)計與相關(guān)仿真分析，并通過實驗驗證了改進方案的有效性，實現(xiàn)了裝置內(nèi)部關(guān)鍵國產(chǎn)芯片的控溫要求。這種理論計算與軟件仿真相結(jié)合的設(shè)計方法，既提高設(shè)計效率，又降低研發(fā)成本，對同類型自然散熱條件下的電力電子設(shè)備的熱設(shè)計具有一定借鑒意義。