大功率微波電源散熱優(yōu)化設計

黃星星 李東銘 衛(wèi)紅 侯少毅

本文引用格式：黃星星，李東銘，衛(wèi)紅，等.大功率微波電源散熱優(yōu)化設計[J].自動化與信息工程，2023，44（1）：39-45.

HUANG Xingxing， LI Dongming， WEI Hong， et al. Optimal design of heat dissipation of high-power microwave power supply[J]. Automation & Information Engineering， 2023，44（1）：39-45.

摘要：針對大功率微波電源功率損耗引起的機箱內(nèi)部散熱問題，設計強制水冷和強制風冷相結(jié)合的散熱方案。首先，通過對機箱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、流場和熱場的分析，進行大功率微波電源散熱設計；然后，建立和簡化大功率微波電源機箱三維模型；最后，利用ANSYS仿真軟件進行流固耦合傳熱仿真分析，優(yōu)化大功率微波電源的結(jié)構(gòu)設計，滿足其散熱要求，解決發(fā)熱器件的散熱難題。

關(guān)鍵詞：微波電源；散熱；ANSYS；流固耦合傳熱；仿真分析

中圖分類號：TB771???????????文獻標志碼：A ??????????文章編號：1674-2605（2023）01-0007-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2023.01.007

Optimal Design of Heat Dissipation of High-power Microwave Power Supply

HUANG Xingxing¹??LI Dongming²??WEI Hong¹??HOU Shaoyi^{1 ?}

（1.?Jihua Laboratory， Foshan 528251， China

2. Dongfang （Guangzhou） Heavy Machinery Co.，?Ltd.， Guangzhou?510000， China）

Abstract： In view of the internal heat dissipation problem caused by the power loss of high-power microwave power supply， a heat dissipation scheme combining forced water cooling and forced air cooling is designed. Firstly， through the analysis of the structure， flow field and thermal field inside the case， the heat dissipation design of high-power microwave power supply is carried out; Then， the three-dimensional model of high-power microwave power supply box is established and simplified; Finally， the fluid-structure coupling heat transfer simulation analysis is carried out using ANSYS simulation software to optimize the structure design of high-power microwave power supply， meet its heat dissipation requirements， and solve the heat dissipation problem of heating devices.

Keywords：?microwave power supply; heat dissipation;?ANSYS;?fluid structure coupling heat transfer; simulation analysis

0 ?引言

隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子器件的性能不斷提高；同時，單個電子器件的尺寸不斷縮小，集成程度也不斷提高，導致電子設備和器件的熱流密度越來越高。根據(jù)美國氣動航空電子研究協(xié)會的統(tǒng)計分析，55%的電子設備失效是由內(nèi)部電子器件溫度超標引起的^[1-2]；并且隨著工作溫度的升高，晶體管失效率呈指數(shù)級增長^[3]。因此，散熱優(yōu)化設計對保障電子設備和器件的安全可靠性是非常必要的^[4-5]。

大功率微波電源由于工作功率大、電離強度高、發(fā)熱量大、輸出功率穩(wěn)定性要求高、連續(xù)工作時間長等特點，易產(chǎn)生局部高熱量聚集^[6-7]。本文借助ANSYS軟件對大功率微波電源機箱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、流場、熱場進行仿真分析，并根據(jù)仿真結(jié)果進一步優(yōu)化大功率微波電源散熱設計。

1 ?建立模型

1.1 ?數(shù)值模型

大功率微波電源機箱主要包括AC/DC模塊、DC/DC模塊、散熱器、前板、尾板及外殼等組件，示意圖如圖1所示。

如圖1所示，大功率微波電源的4個DC/DC模塊均勻固定在散熱器上。經(jīng)測算，大功率微波電源總發(fā)熱量約為2?kW，主要集中于DC/DC模塊中的IGBT模塊和變壓器。IGBT模塊和變壓器通過導熱硅脂與散熱器鋁基板粘連，并采用螺絲和壓板緊固。DC/DC模塊尾部裝有2臺風扇，將常溫空氣吹入散熱器的翅片區(qū)域，冷卻翅片。散熱器鋁基板采用鋁材質(zhì)^[8]，內(nèi)有材質(zhì)為銅的水冷銅管。水冷銅管通入恒溫去離子水，冷卻散熱器鋁基板。散熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為便于仿真分析，本文對散熱器模型進行簡化，去除對仿真結(jié)果影響不大的部件，僅保留鋁基板、翅片、水冷銅管、風扇、DC/DC模塊。將4個DC/DC模塊簡化為4個IGBT模塊熱源底座和4個變壓器熱源底座，并定義為熱源。其中，水冷銅管與鋁基板之間、鋁基板與翅片之間涂有導熱硅脂。

1.2??邊界條件

利用ANSYS仿真軟件對散熱器簡化模型做預處理單元處理。ANSYS預處理單元不僅可以修改模型，還可以定義材料屬性、輸入載荷、求解類型和各種邊界條件。散熱器簡化模型設置的各種邊界條件及輸入?yún)?shù)為：

1） 整體計算區(qū)域選在大功率微波電源機箱外殼內(nèi)，忽略機箱與外部空氣的對流換熱；

2） IGBT模塊與變壓器簡化為面熱源附著在散熱器鋁基板表面；

3） 風扇簡化為入口、出口，添加在計算區(qū)域邊界，風扇入口流量為30?CFM，環(huán)境溫度為25?℃；

4） 冷卻水流量為5?L/min，流速為1.87?m/s，入口水溫設置為22?℃；

5） 鋁基板與翅片之間的導熱硅脂厚度為0.1?mm，導熱率為3?W/（m?K）；

6） 簡化流體管道結(jié)構(gòu)，將流體通道及水冷銅管作為等截面圓考慮。

散熱器簡化模型如圖3所示。

1.3 ?網(wǎng)格劃分

散熱器簡化模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。

由于流體管道比較復雜，采用致密的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以保證網(wǎng)格過渡光滑、貼體。散熱器簡化模型采用非連續(xù)網(wǎng)格設置，背景網(wǎng)格為全模型的1/20，流體網(wǎng)格為3?mm，翅片網(wǎng)格為8?mm。網(wǎng)格即便進行了優(yōu)化，但總數(shù)仍超過100 萬個。

2 ?仿真分析

大功率微波電源由風冷和水冷共同散熱。其中，風冷散熱的主要部件是風扇和翅片；水冷散熱主要依賴冷卻水。因此，選取冷卻水流量、風扇入口流量、翅片厚度作為變量進行仿真分析。初始工況如表1所示，每種變量分別選擇4個不同工況，具體參數(shù)如表2所示。

2.1 ?冷卻水流量仿真分析

利用ANSYS仿真軟件對冷卻水流量（5?L/min、15?L/min、25?L/min、35?L/min）分別進行仿真分析，結(jié)果如圖5和表3所示。

由圖5和表3可以看出：隨著冷卻水流量的增加，熱源區(qū)域的最高溫度約從42 ℃下降到35 ℃；冷卻水管出口水溫從26.8 ℃下降到22.8 ℃，但當冷卻水流量大于15?L/min時，熱源區(qū)域最高溫度和冷卻水管出口水溫下降較小，表明加大冷卻水流量能提高散熱能力，但在冷卻水流量過大的情況下，冷卻水未能充分換熱即流走，沒有起到更好的冷卻效果。因此，考慮到散熱效果及資源的應用效率，冷卻水流量設定范圍為5～15?L/min。

2.2 ?風扇入口流量仿真分析

利用ANSYS仿真軟件對風扇入口流量（10?CFM、30?CFM、50?CFM、70?CFM）分別進行仿真分析，結(jié)果如表4、圖6、圖7所示。

由圖6可以看出：隨著風扇入口流量的增加，吹入翅片區(qū)域的風速顯著提高，約從2?m/s線性增加到 ?14?m/s；但增大風扇入口流量并未明顯擴大冷風覆蓋面積。

由圖7可以看出：隨著風扇入口流量的增加，熱源區(qū)域最高溫度和冷卻水管出水口溫度變化不大，分別約為42?℃和27?℃。因此，此范圍的風扇入口流量對散熱效果影響較小，10 CFM的流量足以滿足使用要求。若風扇入口流量減小，風扇體積和內(nèi)部風場引起的風噪聲也會隨之減小。

2.3 ?翅片厚度仿真分析

利用ANSYS仿真軟件對翅片厚度（0.5 mm、 ??0.9?mm、1.2?mm、2.0?mm）分別進行仿真分析，結(jié)果如圖8和表5所示。

由圖8可以看出：隨著翅片厚度的增加，熱源區(qū)域最高溫度和冷卻水管出水口溫度變化不大，分別約為42?℃和27?℃。因此，翅片厚度對散熱效果影響較小。考慮到加工難度，以及翅片過厚會減小翅片間空氣流通的面積，增大流阻及風噪，翅片厚度選取范圍為0.5～1?mm。

3 ?優(yōu)化設計

根據(jù)以上仿真分析結(jié)果，對大功率微波電源結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計：

1） 綜合考慮電源散熱性和能源經(jīng)濟性，冷卻水流量從5?L/min提升到10?L/min；

2） 考慮到風扇入口流量對散熱效果影響較小，冷卻風扇入口流量由30?CFM降為10?CFM；

3） 考慮到翅片厚度對散熱效果影響較小，翅片厚度選擇為1?mm。

4 ?結(jié)論

本文采用數(shù)學建模和有限元分析方法，利用ANSYS仿真分析軟件，對大功率微波電源散熱結(jié)構(gòu)進行分析，提出針對冷卻水流量、冷卻風扇入口流量及翅片厚度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，使大功率微波電源機箱布局趨于合理，具備良好的散熱性能，確保滿足IGBT等高發(fā)熱器件的冷卻需求，為其他電氣設備熱設計仿真分析提供參考和依據(jù)。

本課題的研究尚有許多待開展之處，如翅片周圍流場與流阻的計算及仿真分析研究。通過相應分析，將進一步減小冷卻風扇入口流量，這對大功率微波電源的噪聲控制及能耗降低具有積極的意義。

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[8]?陳名剛.電力電子中IGBT散熱器選型應用[J].流體測量與控制，2021，2（5）：39-41;50.

作者簡介：

黃星星，男，1989年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：半導體設備及器件研發(fā)。E-mail：?huangxx@jihualab.com

李東銘，男，1981年生，博士，高級工程師，主要研究方向：力學分析。E-mail：?lidm@dongfang.com

衛(wèi)紅，男，1970年生，本科，高級工程師，主要研究方向：真空技術(shù)與設備。E-mail： weihong@jihualab.com

侯少毅，男，1983年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：真空設備。E-mail： housy@jihualab.com