基于FlowSimulation的高頻電源散熱器優化分析

汪志強，胡杰紅，李開旭

（天明環保工程有限公司，杭州 310018）

0 引言

功率器件在現代工業設備中得到了廣泛應用,如高頻電源、脈沖電源、變頻器等。隨著科學技術水平不斷提高，功率器件進一步趨于小型化，且性能更加優越，但單位體積的功耗也不斷增加，故工程設計中需對器件的散熱進行設計、校核、優化，以確保其在穩定的工作溫度范圍內［1］。同時，隨著計算機技術和計算流體力學（CFD）軟件的發展，CFD 軟件被廣泛應用到工程設計、優化中。

本文應用Flow Simulation 對某公司研制的型號為TM-HFHV 高頻電源進行流體仿真分析，得到原散熱器散熱效果，在此基礎上優化散熱器鰭片高度、鰭片間距、鰭片厚度［2-3］，從而保證功率器件在穩定工作溫度范圍內，并使散熱器單位質量散熱效率大幅提高。

1 建立仿真模型

在SolidWorks 中建立高頻電源風箱、散熱器以及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、整流橋等功率器件模型，如圖1所示，整流橋和IGBT 安裝于散熱器上，風箱安裝于散熱器背側，抽風機安裝于散熱器底部。整流橋和IGBT 產生的熱量通過熱傳導方式傳遞至散熱器，然后通過強迫風冷方式傳遞至外界環境中。

圖1 模型正面及背面

2 仿真參數設置

進入風箱的溫度約為40℃，風扇為某廠制造的DF-7 離心風機，其性能曲線如圖2 所示，風箱進口處為一開孔率為0.15 的多孔板，整流橋和IGBT 在峰值功率下的發熱功率分別為30 W 和250 W，使用Hi-Flow 115-AC@10psi 型導熱硅片，熱阻為3×10-5K·m2/W；散熱器粗糙度為Ra0.25，與空氣的熱阻為1.8×10-5K·m2/W。仿真參數設定如表1。

圖2 風機性能曲線

表1 仿真參數的設定

表2 穩態下風扇流量及元器件溫度

3 后處理

經軟件模擬得：穩態下，風扇出口流量為0.264 5 m3/s，IGBT 最高溫度為322.86 K，整流橋最高溫度為320.81K，散熱器最高溫度為317.92 K。穩態下風扇流量及元器件溫度如表2。散熱器正面溫度分布云圖和側面溫度分布云圖如圖3 所示。

圖3 散熱器正面及側面溫度分布云圖

由圖3 正面溫度分布云圖可知，散熱器最高溫度集中于中間4 個IGBT 處，散熱器上部及右下溫度最低。由圖3 側面溫度分布云圖可知，散熱器鰭片溫度沿翅高方向從外到內逐漸增大，并有一半面積處于低溫區域［4-5］。

4 散熱器散熱效果分析及優化

此散熱器原鰭片高度為165 mm，厚度為1 mm，鰭片數目為55，由于散熱器的散熱效果和鰭片高度、鰭片數目（鰭片間距）、鰭片厚度有關，所以需要從這三個方面分別來考察它們對散熱器散熱效果的影響：1）鰭片高度對散熱效果的影響。保持鰭片數目和鰭片厚度不變，鰭片高度從5mm變化到165mm，每隔10mm 求解一次。2）鰭片數目對散熱效果的影響。保持鰭片高度和鰭片厚度不變，鰭片數目從0 變化到65，每隔5 個鰭片數目求解一次。3）鰭片厚度對散熱效果的影響。保持鰭片高度和鰭片數目不變，鰭片厚度從0.5mm 變化到1.5mm，每隔0.1mm 求解一次。

仿真結果見圖4，從圖4 可以得到：1）元器件溫度隨散熱器鰭片高度的增加而降低，并且當鰭片高度超過55 mm 后，溫降幅度很小；當鰭片高度超過95 mm 后，溫降幾乎為0 K。2）元器件溫度隨散熱器鰭片數目的增加（鰭片間距減少）而降低，并且當鰭片數目超過30 后，溫降幅度很小；當鰭片數目超過50 后，溫降幾乎為0K。3）元器件溫度隨散熱器鰭片厚度的增加而降低，鰭片厚度從0.5mm 變化到1.5 mm，元器件溫降不超過2 K，并且溫降亦趨平緩。

由以上分析可知，對散熱器散熱效果影響最大的因素為鰭片高度和鰭片數目（鰭片間距），當鰭片高度從5 mm變為95 mm 時，降溫幅度超過20 K，當鰭片數目從5 變為50 時，降溫幅度超過19 K；雖然鰭片厚度也影響散熱性能，但和前兩者相比，幾乎可以忽略不計，而且當鰭片厚度增加時，散熱器質量急劇增大。綜上所述，散熱器優化方案應該從鰭片高度和鰭片數目（鰭片間距）入手，兼顧散熱余量和制造成本，故現將鰭片高度由165 mm 改為100 mm，鰭片數目由55 改為50。

圖4 元器件溫度變化曲線

對改進后的模型再進行一次仿真分析，最終得到穩態下：風扇出口流量為0.271 7 m3/s，IGBT 最高溫度為323.75 K，整流橋最高溫度為321.62 K，散熱器最高溫度為318.81 K，綜合表2 得到表3。改進后散熱器側面溫度分布云圖如圖5 所示。

表3 改進前后結果對比

從表3 可以看到，改進后風扇流量增加了2.72%，而IGBT、整流橋、散熱器的溫升不超過1 K。再對比改進前后散熱器的質量，由26.24 kg下降到19.69 kg，下降了24.96%，降幅非常明顯。從圖5 可以清楚看到，散熱器鰭片溫度分布較改進前均勻很多，沒有出現大片低溫區域，即單位面積散熱效率更高。

圖5 改進后散熱器側面溫度分布云圖

5 結論

本文對某高頻電源散熱器進行了CFD 分析，得到了散熱器的溫度場及各元器件的溫度，比較并分析了散熱器在不同鰭片高度、鰭片數目、鰭片厚度條件下的散熱效果，得出如下結論：1）散熱器鰭片高度、鰭片數目、鰭片厚度都對散熱效果產生影響，相比鰭片厚度，前兩者對散熱器散熱效果影響較大。2）隨著鰭片高度和鰭片數目的增加，散熱效果逐漸增強，但超過一定數值之后，影響甚微。3）本散熱器通過合理優化，可以保證在散熱效果不降低的情況下，降低重量約25%。

［1］林媛，彭浩.一種新型熱翅板式電子散熱器的模擬研究［J］.機械設計與制造，2009（3）：150-152.

［2］景莘慧，陳文鑫.大功率電源模塊的散熱設計［J］.電子機械工程，2003，19（1）：28-30.

［3］楊湘洪，鄭艷妮，厲春元.翅片熱板散熱器的設計［J］.機械研究與應用，2007，20（1）：68-69.

［4］陳超祥，胡其登.SolidWorks Simulation 高級教程［M］.北京：機械工業出版社，2013：132-144.

［5］陳超祥，胡其登.SolidWorks Flow Simulation 教程［M］.北京：機械工業出版社，2013：32-72.