基于FlowSimulation的高频电源散热器优化分析

汪志强，胡杰红，李开旭

（天明环保工程有限公司，杭州 310018）

0 引言

功率器件在现代工业设备中得到了广泛应用,如高频电源、脉冲电源、变频器等。随着科学技术水平不断提高，功率器件进一步趋于小型化，且性能更加优越，但单位体积的功耗也不断增加，故工程设计中需对器件的散热进行设计、校核、优化，以确保其在稳定的工作温度范围内［1］。同时，随着计算机技术和计算流体力学（CFD）软件的发展，CFD 软件被广泛应用到工程设计、优化中。

本文应用Flow Simulation 对某公司研制的型号为TM-HFHV 高频电源进行流体仿真分析，得到原散热器散热效果，在此基础上优化散热器鳍片高度、鳍片间距、鳍片厚度［2-3］，从而保证功率器件在稳定工作温度范围内，并使散热器单位质量散热效率大幅提高。

1 建立仿真模型

在SolidWorks 中建立高频电源风箱、散热器以及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、整流桥等功率器件模型，如图1所示，整流桥和IGBT 安装于散热器上，风箱安装于散热器背侧，抽风机安装于散热器底部。整流桥和IGBT 产生的热量通过热传导方式传递至散热器，然后通过强迫风冷方式传递至外界环境中。

图1 模型正面及背面

2 仿真参数设置

进入风箱的温度约为40℃，风扇为某厂制造的DF-7 离心风机，其性能曲线如图2 所示，风箱进口处为一开孔率为0.15 的多孔板，整流桥和IGBT 在峰值功率下的发热功率分别为30 W 和250 W，使用Hi-Flow 115-AC@10psi 型导热硅片，热阻为3×10-5K·m2/W；散热器粗糙度为Ra0.25，与空气的热阻为1.8×10-5K·m2/W。仿真参数设定如表1。

图2 风机性能曲线

表1 仿真参数的设定

表2 稳态下风扇流量及元器件温度

3 后处理

经软件模拟得：稳态下，风扇出口流量为0.264 5 m3/s，IGBT 最高温度为322.86 K，整流桥最高温度为320.81K，散热器最高温度为317.92 K。稳态下风扇流量及元器件温度如表2。散热器正面温度分布云图和侧面温度分布云图如图3 所示。

图3 散热器正面及侧面温度分布云图

由图3 正面温度分布云图可知，散热器最高温度集中于中间4 个IGBT 处，散热器上部及右下温度最低。由图3 侧面温度分布云图可知，散热器鳍片温度沿翅高方向从外到内逐渐增大，并有一半面积处于低温区域［4-5］。

4 散热器散热效果分析及优化

此散热器原鳍片高度为165 mm，厚度为1 mm，鳍片数目为55，由于散热器的散热效果和鳍片高度、鳍片数目（鳍片间距）、鳍片厚度有关，所以需要从这三个方面分别来考察它们对散热器散热效果的影响：1）鳍片高度对散热效果的影响。保持鳍片数目和鳍片厚度不变，鳍片高度从5mm变化到165mm，每隔10mm 求解一次。2）鳍片数目对散热效果的影响。保持鳍片高度和鳍片厚度不变，鳍片数目从0 变化到65，每隔5 个鳍片数目求解一次。3）鳍片厚度对散热效果的影响。保持鳍片高度和鳍片数目不变，鳍片厚度从0.5mm 变化到1.5mm，每隔0.1mm 求解一次。

仿真结果见图4，从图4 可以得到：1）元器件温度随散热器鳍片高度的增加而降低，并且当鳍片高度超过55 mm 后，温降幅度很小；当鳍片高度超过95 mm 后，温降几乎为0 K。2）元器件温度随散热器鳍片数目的增加（鳍片间距减少）而降低，并且当鳍片数目超过30 后，温降幅度很小；当鳍片数目超过50 后，温降几乎为0K。3）元器件温度随散热器鳍片厚度的增加而降低，鳍片厚度从0.5mm 变化到1.5 mm，元器件温降不超过2 K，并且温降亦趋平缓。

由以上分析可知，对散热器散热效果影响最大的因素为鳍片高度和鳍片数目（鳍片间距），当鳍片高度从5 mm变为95 mm 时，降温幅度超过20 K，当鳍片数目从5 变为50 时，降温幅度超过19 K；虽然鳍片厚度也影响散热性能，但和前两者相比，几乎可以忽略不计，而且当鳍片厚度增加时，散热器质量急剧增大。综上所述，散热器优化方案应该从鳍片高度和鳍片数目（鳍片间距）入手，兼顾散热余量和制造成本，故现将鳍片高度由165 mm 改为100 mm，鳍片数目由55 改为50。

图4 元器件温度变化曲线

对改进后的模型再进行一次仿真分析，最终得到稳态下：风扇出口流量为0.271 7 m3/s，IGBT 最高温度为323.75 K，整流桥最高温度为321.62 K，散热器最高温度为318.81 K，综合表2 得到表3。改进后散热器侧面温度分布云图如图5 所示。

表3 改进前后结果对比

从表3 可以看到，改进后风扇流量增加了2.72%，而IGBT、整流桥、散热器的温升不超过1 K。再对比改进前后散热器的质量，由26.24 kg下降到19.69 kg，下降了24.96%，降幅非常明显。从图5 可以清楚看到，散热器鳍片温度分布较改进前均匀很多，没有出现大片低温区域，即单位面积散热效率更高。

图5 改进后散热器侧面温度分布云图

5 结论

本文对某高频电源散热器进行了CFD 分析，得到了散热器的温度场及各元器件的温度，比较并分析了散热器在不同鳍片高度、鳍片数目、鳍片厚度条件下的散热效果，得出如下结论：1）散热器鳍片高度、鳍片数目、鳍片厚度都对散热效果产生影响，相比鳍片厚度，前两者对散热器散热效果影响较大。2）随着鳍片高度和鳍片数目的增加，散热效果逐渐增强，但超过一定数值之后，影响甚微。3）本散热器通过合理优化，可以保证在散热效果不降低的情况下，降低重量约25%。

［1］林媛，彭浩.一种新型热翅板式电子散热器的模拟研究［J］.机械设计与制造，2009（3）：150-152.

［2］景莘慧，陈文鑫.大功率电源模块的散热设计［J］.电子机械工程，2003，19（1）：28-30.

［3］杨湘洪，郑艳妮，厉春元.翅片热板散热器的设计［J］.机械研究与应用，2007，20（1）：68-69.

［4］陈超祥，胡其登.SolidWorks Simulation 高级教程［M］.北京：机械工业出版社，2013：132-144.

［5］陈超祥，胡其登.SolidWorks Flow Simulation 教程［M］.北京：机械工业出版社，2013：32-72.