大功率电子设备结构热设计的探析

　　摘要：随着我国电子科学技术的不断发展，人们对于电子设备的性能、功率以及能耗等方面的要求也越来越高。其中，大功率器件作为电子设备的重要组成部分，其整体性能不仅会直接影响到电子设备运行的稳定性与可靠性，同时也会在一定程度上影响到大功率电子设备的散热性能与实际能耗。但由于传统的壳体散热无法满足大功率电子设备的散热需求，因此就需要对其热设计方案进行优化与创新。基于此，本文章主要针对大功率电子设备结构热设计展开了深入的分析与探究。

　　关键词：大功率;电子设备;结构热;设计探析

　　在当前社会背景下，大功率电子设备结构的热设计越来越重要的。这主要是因为功率器件是大部分电子设备的核心器件，其工作状态会直接影响电子设备整体运行的可靠性。特别是对于功率较大的器件来说，由于其在实际运行过程中的发热量较大，因此若仅依靠封装外壳是无法满足其具体的散热需求的。在这种情况，相关工作人员就需要采用更为科学、合理的散热与冷却方法，设计出一种更为高效的散热系统，以此来将电子元器件的温度控制在正常的范围之内，并且在热源与外部环境间预留出一条低热阻通道，以此来保证热量可以及时的散发出去。

　　1案例分析

　　本文章以某工程大功率功放设备为例，要求其在温度为55℃以下的环境中工作。同时，依据相关指标要求，要将此设备设计成铝合金钣金机箱。但受到空间的显示，机箱尺寸设定为W×D×H=420mm×425mm×173mm。该机箱的元件主要包括如下几种：(1)功放模块1个，其耗散热为600W，确保其稳定运行的基座温度，最高不可超过87℃;(2)自带散热齿电源模块1个，自带散热齿，其耗散热为100W，确保该电源模块可靠工作的温度最高不可超过85℃;(3)隔离器、滤波器以及衰减器各1个，确保这些元件正常工作的温度均为80℃;另外还包括多个接插件。

　　2大功率电子设备结构热设计的要求和准则

　　2.1热设计要求

　　第一，要保证热设计在规定好的温度范围内运行;第二，确保热设计中的环境均处于设备预设的环境内;第三，热设计要保持在冷却系统的温度范围内;第四，热设计要满足我国相关的标准要求。

　　2.2热设计准则

　　(1)要根据散热量的多少来对设备温度进行有效的控制;(2)选择恰当的热传递形式。在正常情况下，热传递要满足设备对热量的实际需求。在中等发热过程中，多数情况下应该选择对流冷却形式，借助传导与对流等方法来实现冷却的目的，且不需要另外增设其他设备来完成冷却工作[1];(3)在热设计中，要高度重视设备的参数设置，例如温度、热阻及能耗等。其中，温度参数的设置最为重要;(4)冷却装置的设计要简洁高效，并且可以适应设备工作环境。(5)要重视设备而定大小、功耗、电路布置以及实际操作环境等多种因素，并在热设计中进行综合的考虑;(6)热设计活动不可以单独开展，而是应该与机械设计同时进行，以便设计人员对相关因素进行综合的考量。

　　3结构热设计分析

　　2.1选择合理的冷却方法

　　在对大功率电子设备结构实施热设计时，首先要根据电子设备的实际情况选择出最佳的冷却方法。而冷却方法的选择与确定需要参考如下几个因素，例如热流密度、可靠性要求、温升要求、设备尺寸、重量意义其经济性与安全性，同时这也是选择冷却方案最为简便、有效的方法。假设某电子设备的总热耗为700W，要想将其安装在规格为420mm×425mm×173mm的机箱里，热流密度为0.1078W/cm2，将其温升控制在25～32℃，工作人员就应该选择强迫风冷散热。这主要是因为强迫风冷散热可以更加稳定的运行，维修保养工作也相对较为简单，且整体投入成本也相对较低，因此属于一种应用效果较为良好的冷却方法，可以在电子设备的冷却系统中广泛的应用[2]，同时也是大功率器件所采用的主要冷却方法。

　　2.2热设计步骤

　　由于自身携带散热器的强迫风冷散热设计较为复杂，因此就要按照如下步骤来完成热设计。首先，要对设备的结构、成本、风压以及散热效率等多种因素进行综合的考虑，应用Icepak软件仿真结果，合理设置散热器结构的各项参数;其次，要根据发热量，结合热平衡方程来选择风机;再次，要利用风机与设计十分合理的风道来实现对整机结构的热设计;最后，要借助Icepak软件来进行热设计仿真，若最终选择的元器件温度超过了规定值，就要重新调整散热器结构的相关参数，重新选择风机，并重复上述步骤，直至最后热设计方案可以将机箱内的器件温度都控制在允许值以下，以此来实现，散热系统的最优化。

　　2.3建模

　　由于电源模块与功放模块为此设备的主要发热模块为，因此在结构设计中，就要充分考虑隔离热量与电磁屏蔽热量，并在基础上将元器件分为上下2层安装在机箱内。其中，电源模块要安装在机箱下层紧挨机箱底壁位置处，而功放模块、散热器及其他模块则应该安装在机箱上层，上下层中间要使用厚度为2mm的隔板隔开，避免电源模块对其他模块产生不必要的电磁干扰，同时也不会让电源模块与功放模块的热量产生相互之间的影响[3]。除此之外，要在散热器基板上合理安装功放模块、隔离器、滤波器以及其他模块。其中，由于隔离器、衰减器以及滤波器的发热量较小，且耐热性较差，因此就要将其安装在冷却气流的入口处;而由于功放模块的发热量相对较大，因此就要将其安装在冷却气流的下游。这种散热设计主要适用于电源模块与功放模块的强迫风冷散热设计当中。

　　2.4散热器设计

　　在设计散热器时，首先要对电子设备的结构、成本、散热效率、风压以及工艺等要求进行全面的考虑。其次，在选择散热器肋片时，尽量以薄为宜，但也不可过薄，以免增加加工难度。同时，当确定散热器外形尺寸后，肋片之间的距离越小，其热阻也就越小，但若间距过小则会在一定程度上增加风阻，影响到散热效率。另外，随着肋片高度的增加，其散热面积也会随之增加，而此时的散热量也会随之增大。其中需要注意的是，针对等截面直肋，当其肋片高度达到一定程度后，其传热量就会停止增加。在这种情况下，若要进一步增加肋高，就会大大降低肋片效率，甚至会增大风阻。

　　通过综合的考虑，本次设计方案决定选用翅片长度为300mm的铝材散热器，。同时，考虑到发热模块主要是功放模块，其他模块的发热较少，因此就可忽略不计，进而确定将散热器的肋高设计为不等高。除此之外，要借助Icepak软件的trials功能，将肋片厚度、高度以及肋间距等一系列参数设为变量[4]，再利用define trials为这些变量赋上相应的值，并使用Icepak同时计算出厚度、肋间距、肋高为不同值时，各模型的求解结果。最后，通过不同求解结果的对比可以确定，当功放模块肋高为50mm，其余模块肋高为20mm，肋间距为6mm肋厚为2mm时，该设备结构可以为最优。

　　结束语

　　综上所述，在节能降耗背景下，要想进一步提升大功率电子设备结构的热设计水平，就要对电子元器件以及设备的传热方式进行科学的分析，对电子元器件的热环境等相关因素进行综合的分析。与此同时，相关工作人员也要对总热阻、热流与热沉分配、电感以及电容等各项参数进行准确的计算，以此来确定出最佳的冷却方案，优化大功率电子设备的散热系统，促进我国电子经济的可持续发展。

　　参考文献

　　[1]邓少文.大功率电子设备结构热设计研究[J].电子测试，2018，(12)：20-21.

　　[2]魏强.热仿真在电子设备结构设计中的应用研究[J].现代制造技术与装备，2020，(4)：57-59.

　　[3]刘斌，牟长军，王立，等.某电子设备整机结构热设计[J].电子机械工程，2020，36(1)：34-37，41.

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