電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計(jì)與熱分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告_-免費(fèi)閱讀
【正文】 所優(yōu)化出來(lái)的散熱器，不但質(zhì)量較之前的散熱器減輕了不少，而且散熱器體積及散熱器幾何結(jié)構(gòu)更為合理。本次實(shí)驗(yàn)有硬件測(cè)試還有軟件仿真，我們小組共有三名成員，在進(jìn)行硬件測(cè)試的時(shí)候有時(shí)需要三個(gè)人一起工作才能完成，有時(shí)則需要一兩個(gè)人，為了提高實(shí)驗(yàn)效率，我在進(jìn)行硬件測(cè)試的空閑時(shí)間里熟悉了 Qfin 軟件的使用，這樣在完成硬件測(cè)試后提高了軟件仿真的效率。經(jīng)過(guò)膠布的多次粘連并且加熱， LM317上面有一層粘狀物，影響了溫度的傳遞，應(yīng)該定 期清理 LM317 上面的污物。 通過(guò)分析散熱器優(yōu)化前后穩(wěn)壓器件的功率和殼溫?cái)?shù)據(jù)（見(jiàn)表 、表 ）可以看出，優(yōu)化前后穩(wěn)壓器件的功率基本沒(méi)有發(fā)生變化，但是優(yōu)化后散熱器的中心溫度較優(yōu)化前散熱器的中心溫度高了 57℃。 ⑥ 計(jì)算各穩(wěn)壓器的功耗 P=Pi－ Po ⑦ 1K 、 2K 、 3K 閉合 (未降額狀態(tài) )， 10 分鐘后，分別測(cè)量穩(wěn)壓電路的三路輸入電壓 1iU 、 2iU 、 3iU ，三路的輸出電壓 1oU 、 2oU 、 3oU ，三個(gè)穩(wěn)壓器件的外殼溫度 1T 、 2T 、3T 。由前一典型功率器件實(shí)例的誤差分析中可知，這些簡(jiǎn)化原則所帶來(lái)的誤差在要求范圍內(nèi)，能夠滿足工程要求。 Qfin包含常用的多種類型散熱器，熱源和材料的模型庫(kù)。先以散熱器質(zhì)量最輕為優(yōu)化目標(biāo)；涉及到的可變化的變量就是散熱器幾何參數(shù)，包括肋片的厚度、高度、長(zhǎng)度以及基座長(zhǎng)度、寬度和厚度等，對(duì)這些參數(shù)給出可控制的范圍即可得出質(zhì)量最輕的散熱器了。 . 散熱器的優(yōu)化實(shí)施 經(jīng)過(guò)上述方法選擇的散熱器，功率器件在散熱器的輔助散熱之下工作結(jié)溫降至允許溫度之下。其主要幾何參數(shù)包括肋片長(zhǎng)度、肋片厚度、肋片高度、肋片數(shù)、基座長(zhǎng)度、基座厚度和基座寬度等。 在本實(shí)驗(yàn)電源系統(tǒng)中，集成穩(wěn)壓器是發(fā)熱量較大的關(guān)鍵器件，對(duì)其采用散熱器自然冷卻方式散熱，以保障安全正常的工作。適用于設(shè)備故障對(duì)工作任務(wù)的完成只有小的影響，或可迅速、經(jīng)濟(jì)地加以修復(fù)。 電源電路元器件參數(shù)如表 所示。 本實(shí)驗(yàn)課在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)理論研究的基礎(chǔ)上，利用散熱器優(yōu)化軟件提出了散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從工程實(shí)用角度出發(fā)，根據(jù)航空航天設(shè)備體積小重量輕的要求，提出了功率器件散熱器工程優(yōu)化思想，即在滿足散熱要求的前提下綜合考慮散熱器的體積、重量和成本。以散熱器質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，達(dá)到功率器件與散熱器的最優(yōu)匹配。 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計(jì)與熱分析實(shí)驗(yàn) 3 表 2電源系統(tǒng) 元器件參數(shù) 名 稱 編 號(hào) 參 數(shù) 備 注 變壓器 T 輸入電壓 :220V 輸出電壓 :雙 17V,10V 整流器 T1 3A T2 3A 電壓調(diào)整器 U1(LM317) 結(jié)溫 : 0℃ ~120℃ U2(LM337) U3(LM7805) 結(jié)溫 : 0℃ ~125℃ 電阻器 R01 1kΩ R02 1kΩ R1 可變電阻器 R2 R3 100Ω R4 240Ω R5 20Ω ,20W 大功率電阻器 R6 20Ω ,20W R7 10Ω ,15W R8 20Ω ,20W R9 20Ω ,20W R10 10Ω ,15W 電容器 C1 2200μ F 電解電容器 C2 2200μ F C5 10μ F C6 10μ F C9 220μ F C10 220μ F C11 3300μ F C13 220μ F C3 F C4 F C5 F C8 F C12 F C14 F 開(kāi)關(guān) K1 K2 K3 . 功率器件的降額設(shè)計(jì) 降額設(shè)計(jì)是將元器件進(jìn)行降額使用，降額使用的器件可延緩和減小其退化，從而提高了器件的可靠性，從而也提高了系統(tǒng)的可靠性。 在本電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)改變集成穩(wěn)壓器的輸出電流 ，從而達(dá)到降額使用。 . 功率器件散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì) 功率器件是電子設(shè)備中發(fā)熱較多的關(guān)鍵器件，一般需采用散熱器以保障功率器件能安全正常的工作。熱源傳遞到散熱器上的熱量，絕大部分是通過(guò)肋片傳遞到周圍環(huán)境中。保證了器件可靠安全的工作，但上述方法選擇的散熱器存在諸多缺點(diǎn)。但是，這種理想的優(yōu)化在實(shí)際工程應(yīng)用中不太現(xiàn)實(shí)，有些優(yōu)化后的散熱器是不易于加工的。用戶可以調(diào)用或創(chuàng)建各種形狀和類型的散熱器或熱源。 4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與測(cè)試數(shù)據(jù) . 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 （ 1）電源 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)及性能測(cè)試； （ 2）電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計(jì)及熱分析； （ 3）功率器件的降額設(shè)計(jì)； （ 4）功率器件散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)； （ 5）優(yōu)化后散熱器熱性能的評(píng)估。 以上各步測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 — 表 所示。但從直觀上來(lái)看，優(yōu)化后的散熱器所占的空間明顯減小。隨著溫度的升高，膠布的粘性降低，導(dǎo)致連接松動(dòng)。 （ 2）做事要有耐心。從而最大限度的滿足航空航天設(shè)備的要求。本實(shí)驗(yàn)在熱設(shè)計(jì)理論研究的基礎(chǔ)上，提出了功率器件的熱設(shè)計(jì)及散熱器優(yōu)化方案，即用建立熱阻網(wǎng)絡(luò)的方法，根據(jù)熱阻初選散熱器，在所選散熱器的基礎(chǔ)上，借助 Qfin 軟件對(duì)初選散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。除了這些我還有以下一些體會(huì)： （ 1）團(tuán)隊(duì)合作很重要。對(duì)于本組的實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的誤差我覺(jué)得有以下幾點(diǎn)原因： （ 1）測(cè)溫儀觸頭與 LM317 接觸不夠好。這對(duì)于延長(zhǎng)該器件的使用壽命是很重要的。 ⑤ 計(jì)算三路的輸入功率 Pi Pi Pi3 和三個(gè)電阻的功耗 Po Po Po3。 Qfin軟件采用了一些簡(jiǎn)化原則使建模較為簡(jiǎn)單，例如， Qfin 軟件對(duì)于熱源的簡(jiǎn)化， 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計(jì)與熱分析實(shí)驗(yàn) 8 忽略其厚度視作二維處理；對(duì)于散熱器的建模，將肋片上的細(xì)小溝槽忽略不計(jì)。 . Qfin軟件簡(jiǎn)介 Qfin 軟件是從國(guó)外引進(jìn)的散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)專用軟件，是 Fluent 公司和 ATT 公司共同研制開(kāi)發(fā)的散熱器設(shè)計(jì)和優(yōu)化專業(yè)軟件。 QFin 軟件中提供了多種優(yōu)化目標(biāo)的選擇，對(duì) LM317 所用散熱器的優(yōu)化。 . 散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì) 散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程如圖 所示： 圖 散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖 散熱器熱阻是選擇散熱器的主要依據(jù)。 . 散熱器的特性 散熱器的種類很多，最常見(jiàn)的功率器件散熱器是型材散熱器，設(shè)計(jì)中使用的散熱器就是這種類型的散熱器，該類散熱器主要由兩部分組成，基座和肋片。 熱設(shè)計(jì)中冷卻方法的選擇 a． 自然散熱 b． 強(qiáng)制風(fēng)冷散熱 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計(jì)與熱分析實(shí)驗(yàn) 5 c． 液體冷卻 d． 蒸發(fā)冷卻 e． 半導(dǎo)體制冷 f． 熱管散熱 按照器件（設(shè)備）表面散熱功率密度或體積發(fā)熱功率密度，一般冷卻方法優(yōu)選順序：自然散熱、強(qiáng)制風(fēng)冷、液體冷卻、蒸發(fā)冷卻。 Ⅲ級(jí)降額：Ⅲ級(jí)降額是最小的降額，這種降額的可靠性增長(zhǎng)效果和所花費(fèi)的代價(jià)相比是最高的。 ? 穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路采用穩(wěn)壓模塊即： LM31 LM337 和 LM7805，輔助電路采用了大容量電解電容，有效地濾出了紋波。傳統(tǒng)的方法是根據(jù)功率器件的功耗及形狀、尺寸大小來(lái)選擇散熱器，并沒(méi)有考慮散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計(jì)與熱分析實(shí)驗(yàn)以電源系統(tǒng)為依托 ，對(duì)其中最關(guān)鍵的功率器件進(jìn)行熱分析，并對(duì)功率器件選用的散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)從而達(dá)到功率器件與散熱器的最優(yōu)匹配，再對(duì)優(yōu)化后的散熱器進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證和評(píng)估，這也為同學(xué)今后在走向工作崗位的時(shí)候掌握功率器件熱設(shè)計(jì)和散熱器優(yōu)化提供工程實(shí)用的方法。降額設(shè)計(jì)就是使電子元器件的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谄湟?guī)定的額定值，從而達(dá)到降低基本故障率，保證系統(tǒng)工作的可靠性。集成穩(wěn)壓調(diào)整器的降額準(zhǔn)則如表 所示。以往的工程經(jīng)驗(yàn)只是單純從功率器件功耗和尺寸大小的角度，任憑經(jīng)驗(yàn)粗略選擇散 熱器，沒(méi)有
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