自然空氣冷卻情況下功率器件散熱器的優化設計
龍 昊，付桂翠，高澤溪
（北京航空航天大學工程系統工程系，北京 100083）
摘要:介紹了功率器件散熱器的散熱原理，提出散熱器的優化問題。敘述了功率器件在自然空氣冷卻狀態下如何初選散熱器，并采用散熱器優化軟件對散熱器進行優化設計。討論了散熱器的理論優化和工程優化的不同，在工程實際情況下功率器件如何與散熱器達到最優匹配；還分析了不同工作狀態下界面熱阻、功耗和熱輻射等因素對散熱效果的影響。
關鍵詞: 熱設計,熱阻,散熱器,優化,Qfin
中圖分類號: TN305.94；TN609 文獻標識碼:A 文章編號:1001-2028（2003）03-0018-04
The Optimum Thermal Design of Heat Sinks in the Cooled by Natural Convection
LONG Hao, FU Gui-cui, GAO Ze-xi
(Department of Systems Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China)
Abstract: The working principle of heat sinks is explained. The selection of heat sinks for power components cooled by natural convection is discussed. Computer software was used in the optimization of the heat sinks. The differences between the theoretical optimization and the practical optimization are compared. The optimized match of power components with the heat sinks in practical working situations is also discussed. The effects of interface resistance, power and thermal radiation on cooling in various environments are analyzed.
Key words: thermal design; thermal resistance; heat sinks; optimization,Qfin
隨著現代電子設備對可靠性要求、性能指標、功率密度等的進一步提高，電子設備的熱設計也越來越重要。功率器件是多數電子設備中的關鍵器件，其工作狀態的好壞直接影響整機可靠性。功率器件尤其是大功率器件發熱量大，僅靠封裝外殼散熱無法滿足散熱要求，需要配置合理散熱器進行有效散熱。以前所
探討的散熱器的優化設計，單純從散熱器的熱阻方面考慮其散熱性能，但是當器件安裝散熱器之后，要考慮的是在器件允許結溫范圍內，散熱器和功率器件的最優匹配，以使散熱器重量輕，體積小，成本低。
1 功率器件散熱器優化設計
經過初選合適散熱器，功率器件的結溫可降低至允許范圍內。但是所選散熱器可能體積太大，無法滿足工程實際要求。功率器件結溫在允許范圍內，散熱器體積最小可認為達到優化。優化散熱器的流程圖如圖1 所示
1.1 功率器件散熱器熱阻網絡及熱阻計算分析
功率器件裝上散熱器后，其散熱途徑將會有所變化。內熱阻RTj 保持不變，器件的熱量一方面通過外殼直接向周圍傳遞，其熱阻為RTp；另一方面熱量傳給散熱器，熱阻為RTc，然后由散熱器再把熱量發散
1.2 散熱器的選取
2 散熱器優化結果分析
經過初選合適散熱器以后，功率器件通過散熱器散熱之后結溫降低至允許結溫之內。但是所選散熱器可能散熱面積太大，重量較重，使得成本太高，并未實現散熱器的優化，功率器件與散熱器沒有達到最優匹配。當功率器件在安全結溫工作時，所優化的散熱器的散熱面積應達到最優，同時能保證功率器件安全可靠工作。考慮到實際的工程誤差，取安全結溫比允許結溫點低10℃左右，例中取安全結溫95℃。
散熱器優化軟件采用Fluent 公司的Qfin 軟件，它是專門的散熱器優化軟件，采用計算流體動力學求解器，有限體積法非結構化網格可以逼近復雜的幾何形狀，同時實現散熱器肋片高度，長度等幾何參數的優化。散熱器的優化問題是一個有約束的多變量非線性問題。優化目標選定為散熱器的質量；優化變量為設計者可控制的散熱器的幾何參數，包括肋片的厚度、高度、長度以及基座厚度和寬度等，考慮到散熱器的強度和加工方便，取定肋片厚度≥1 mm，基座厚度≥2 mm，其他環境條件及輸入變量如前所述。表2 是未優化原型和優化后的結果比較。優化后的散熱器散熱器面積減小，質量減輕，散熱器的熱阻相應增大，但是器件結溫仍舊在安全結溫以內，因此器件可以正常可靠地工作，實現了器件與散熱器理想優化。理想優化在實際工程中不常采用，但是對于某些航空航天設備要求體積盡可能小，質量盡可能輕，則需散熱器廠商按照優化尺寸重新設計散熱器以滿足器件和散熱器的最優匹配。在工程優化時，需要考慮的是改變易于制造的幾何參數進行散熱器的優化，比如散熱器的肋片長度或者高度等。
3 影響功率器件散熱的其他因素分析
在不同的工作狀態下，散熱器的散熱效果不同，對散熱器的選擇和優化有很大影響，例如，高溫環境下可能所選散熱器不能達到功率器件的散熱要求，使得器件損壞。影響散熱器的散熱效果的因素較多，現主要介紹界面熱阻，功耗以及輻射的影響。
（1）界面熱阻的影響
功率器件加了散熱器之后，系統總熱阻，包括功率器件內熱阻、界面熱阻以及散熱器熱阻。通過散熱器優化設計可以降低散熱器熱阻。界面熱阻，包括接觸熱阻和絕緣襯墊熱阻。接觸熱阻的影響因素較為復雜，沒有具體的公式，只有根據實驗或參考實測數據來選擇。減小接觸熱阻，可以采取的措施有：加大接觸面之間的壓力；提高接觸面的加工精度；接觸表面之間加導熱襯墊，一般而言，在接觸面涂覆硅脂，可使接觸熱阻降低20%~50%。在功率混合集成電路與散熱器要絕緣的情況下，則要考慮絕緣襯墊熱阻，它取決于絕緣片的類型和厚度，公式如下：
式中：Rkc 為絕緣襯墊熱阻（℃/W）；S 為有效接觸面積（cm2）；d 為絕緣片厚度（mm）；K 為絕緣片的熱導率[2]。
（2）功耗的影響
器件的功耗越大，發熱量也越多，功耗太大使得散熱器溫升超過允許范圍，無法滿足散熱要求。本文例中選取型材散熱器SRX—YDE，熱源功耗不同時分析結果如表3 所示。
（3）輻射的影響
散熱器是以對流和輻射形式散熱的，在自然對流情況下應考慮輻射散熱的影響。當其他條件未變（熱源功耗為3.25W，采用型材散熱器SRX—YDE，環境溫度為30.8℃）時，考慮和不考慮輻射分析結果如表4 所示。
從表5 看出：環境溫度對器件結溫的影響很大。
因此，在不同的環境溫度，要經過試驗，合理選擇相應的散熱器才能使功率器件更有效散熱。
4 結束語
功率器件是電子設備中發熱較多的重要器件，必需采用散熱器，保障器件正常工作。針對功率器件散熱器的優化設計，提出工程優化，即保證功率器件在安全結溫下正常工作，同時散熱器的優化不能單純以熱阻最小為優化目標，還要考慮散熱器的強度和加工工藝等因素，對散熱器的散熱面積或者質量進行優化。
在進行散熱器的選取和優化時，也不可忽視功率器件在不同工作狀態下，對散熱器散熱效果的影響。
參考文獻：
[1] GJB/Z27—1992. 電子設備可靠性熱設計手冊 [S].
[2] 余建祖. 電子設備熱設計及分析技術 [Z]. 北京: 北京航空航天大學,2000.
[3] Seri Lee. Optimum design and selection of heat sinks [J]. IEEE Trans Compon Packg Manuf Technol, Part A, 1995, 8(4): 812–816.
[4] Wen Z M, Choo K F. The optimum thermal of microchannel heat sinks [A]. IEEE/CPMT Electronic Packaging Technology Conference [C]. 1997.123–129.
[5] Balwant S, Bill Lall. Concurrent thermal design for high-power electronics [A]. IEEE Semi-Therm Symposium [C]. 1998. 95–101.
[6] Yu C W, Webb R L. Thermal design of a desktop computer system using CFD analysis [A]. 17th IEEE Semi-Therm Symposium [C]. 2001. 18–26.
[7] Susheela N, Joseph M. Characterization of compact heat sinks models in natural convection [J]. IEEE Trans Compon Packg Technol, 2002, 25(1):78–85.
（編輯：朱盈權）
熱設計論文下載：自然空氣冷卻情況下功率器件散熱器的優化設計.pdf
標簽： 點擊： 評論:
