大功率电源模块的散热优化

中国船舶集团有限公司第七一五研究所 俞青锋 葛新法

针对某舰载设备的电源模块散热问题，采用热管技术及更换高效率的DC/DC模块进行散热优化，借助仿真软件进行热分析，并对电源模块进行模拟负载热测试及优化前后的对比试验。仿真及试验结果表明：电源模块的热功耗对模块温度有极大的影响，高效率的DC/DC模块能显著降低热功耗，采用热管散热技术等结构散热优化同样有一定降温效果，综合散热优化方案提高了电源模块的可靠性。

目前，很多文章对电源散热的分析主要集中在结构的散热特性分析上，比如均温板导热与风冷散热器优化等，而对主要发热器件DC/DC模块效率影响分析涉及较少。本文针对某舰载设备的电源模块存在的散热问题，借助仿真软件进行热分析，采用热管技术与高效率DC/DC模块优化散热，并进行模拟负载热测试，验证仿真分析的正确性与散热方案的改善情况，可为大功率电源模块的散热设计提供一定的设计参考。

1 电源模块热设计

1.1 问题描述

某舰载设备的电源模块采用间接水冷的方式散热：热量由模块冷板、楔形锁紧装置传导到上导轨水冷板及下导轨水冷板，再由冷却水对导轨水冷板进行热对流带走热量。液冷源提供的进水水温为20℃，体积流量为2.2L/min，从上导轨水冷板流入，再由下导轨水冷板流出。

该电源模块采用标准6U VPX板卡结构，其主要发热器件是一个全砖DC/DC模块电源，尺寸为117mm×56mm×12.7mm（长×宽×高）。其最大输出功率为600W，允许的工作温度范围为-55℃～100℃，在25℃满负载工作时最低效率为86%。

电源模块工作时产生的热功耗PD为：

其中：P0为电源的输出功率；η为电源的效率。由上式可得，模块产生的功耗：

1.2 热仿真分析

通过仿真软件进行热仿真，两块电源模块满负载输出时冷板的温度分布云图如图1所示。

图1 冷板的温度分布云图

图2 方案一的温度分布云图

仿真结果表明：冷板外表面的最高温度出现在DC/DC模块的中心位置，最高温度约为56.2℃，中心到冷板边缘的最大温升约为25℃。从图1中可知，由于DC/DC模块的热流密度达1.5W/cm2，造成中心位置局部温度过高，导致冷板温度分布不均衡，热量难以快速传导出去。但仍满足工作温度小于100℃的要求。

然而实际使用中，由于设备机柜未合理分配流阻，导致设备的实际进水流量约为1L/min。进行热仿真可知冷板外表面的最高温度为61.1℃，温度比之前升高了约5℃。因此，为了降低电源模块的温度，提高其可靠性，必须进行模块的散热优化设计。

2 散热优化及仿真

2.1 优化方案

为了降低电源模块的温度，采取两种优化散热方案。

方案一：采用热管散热技术，提高冷板传导能力。在电源模块冷板内部布置一些热管，将模块局部的大热耗迅速传导至冷板两边，改变冷板温度分布情况。

方案二：更换高效率的DC/DC模块，选择了一款常温时效率最低为94%的DC/DC模块电源。则满负载时产生的热功耗PD为38.3W，相应得热流密度减小至0.58 W/cm2。

2.2 优化方案的热仿真

液冷源的供水情况不变：进水水温为20℃，体积流量为2.2L/min。对方案一进行热仿真，模块的冷板温度分布云图如图2所示。

仿真结果表明：方案一时，冷板外表面的最高温度约为53.3℃，比原先的表面温度降低了约3℃，温度分布不均衡情况得到改善。

对方案二进行热仿真，冷板外表面的最高温度为34.5℃，比原先的表面温度降低了约21.7℃，中心到冷板边缘的温升减小至10.3℃。

3 温度测试试验

3.1 试验平台

对原电源模块及散热优化后的两种方案进行温度测试试验，验证仿真的准确性及散热方案的改进效果。再通过模拟DC/DC模块电源发热，测量在不同功耗下冷板表面温度的最高温度，研究发热功耗对温升起到的影响情况。

试验平台主要由以下设备组成（表1）。

表1 试验设备明细表

3.2 试验结果

电源模块的转换功率η可按下式计算：

其中：Pin为输入功率。而P=U×I，可以通过测量的电压U和电流I测得。则DC/DC模块电源的实际效率及热功耗如表2所示。

电源模块稳定工作约30min后达到热平衡，冷板表面各测点的温度如表3所示。

表2 DC/DC模块电源的实际效率及热功率

表3 冷板表面各测点的温度

由表2可知，高温时满负载的DC/DC模块输出效率要比常温理论的效率低6%左右，高效DC/DC模块电源的热功耗要比原模块少46W。

由表3可知，原电源模块的实际温度与仿真温度偏差在3%以内，仿真结果基本可信。热管技术方案比原电源模块温度低约5.5℃，高效DC/DC模块方案比原电源模块温度低18℃。

用陶瓷发热片模拟DC/DC模块的热功耗，不同的热功耗下冷板外表面的最高温度如图3所示。

图3 冷板外表面的最高温度

由图3可知，冷板外表面的最高温度随着热功耗的增加而快速上升，而热管方案的降温效果也随之越好。

对试验结果进行分析，可以得出以下结论：

（1）热管方案等结构散热优化对电源温度的影响只有在高热功耗下有些效果，而不能根本上降低电源模块的温度。

（2）DC/DC模块热功耗对电源模块的温度的影响很大，而高效DC/DC模块可以大大减少热功耗，显著降低电源模块的温度。

结束语：针对某舰载设备大功率电源模块的散热问题，仿真与试验结果表明：大功耗电源模块的散热优化重点是解决模块的热功耗，提高DC/DC模块的效率，其次是热管散热等结构散热优化，选择合适的方案降低电源模块的温度，提高电源模块的可靠性。