【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量。 . 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。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)。體積大，比較笨重，而且成本高。在航空航天領(lǐng)域無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)備體積小、質(zhì)量輕的要求。解決航空航天領(lǐng)域這一要求，就是使功率器件與散熱器的配套使用達(dá)到最優(yōu)匹配。即當(dāng)功率器件在安全結(jié)溫內(nèi)工作時(shí)，已優(yōu)化的散熱器散熱面積應(yīng)達(dá)到最優(yōu)、重量最輕，同時(shí)能保證功率器件安全可靠工作。 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計(jì)與熱分析實(shí)驗(yàn) 7 散熱器的優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)有約束的多變量非線(xiàn)性問(wèn)題。 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。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。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。所以，實(shí)際工程優(yōu)化中優(yōu)化變量選取散熱器易于加工制造的幾何參數(shù)，基座的尺寸一般不易改變，因此一般不考慮改變基座 的幾何參數(shù)，而選取肋片參數(shù)作為優(yōu)化變量，比如散熱器的肋片長(zhǎng)度或者高度等?？紤]到散熱器的強(qiáng)度、加工方便以及功率器件的尺寸大小，肋片厚度如果太薄，其強(qiáng)度不夠，同時(shí)也會(huì)增加加工難度。因此一般取優(yōu)化變量肋片厚度大于 1mm，基座長(zhǎng)度要大于功率器件縱向長(zhǎng)度以保證功率器件的正確安放。其它環(huán)境條件輸入變量根據(jù)具體情況具體安排分析。對(duì)于航空航天領(lǐng)域某些設(shè)備的特殊要求，使用優(yōu)化后的散熱器要按照優(yōu)化結(jié)果在散熱器生產(chǎn)廠家定做，沒(méi)有特殊要求的，選用最優(yōu)散熱器尺寸附近的散熱器即可，但得遵循選大不選小的原則進(jìn)行選擇。 . 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(zhuān)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(zhuān)業(yè)軟件。 Qfin包含常用的多種類(lèi)型散熱器，熱源和材料的模型庫(kù)。用戶(hù)可以調(diào)用或創(chuàng)建各種形狀和類(lèi)型的散熱器或熱源。它還提供了全局和局部等多種類(lèi)型的邊界條件，能夠解決強(qiáng)迫對(duì)流、自然對(duì)流、幅射、定常和非定常等多種熱物理模型。它還能夠?qū)崿F(xiàn)二維和三維直觀的后處理結(jié)果，提供數(shù)值報(bào)告。它使用簡(jiǎn)單、快速，有針對(duì)性，同時(shí)易于集成到其他熱設(shè)計(jì)軟件中。用戶(hù)入手快、方便實(shí)用、適于普遍推廣。 Qfin對(duì)于散熱器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的變量 如表 所示： 表 散熱器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的參數(shù) Fin thickness 肋片厚度 Fin height 肋片高度 Number of Fins 肋片的數(shù)目 Base thickness 基座的厚度 Extrusion length 拉伸長(zhǎng)度 Heat Source Load 熱源選擇 Approach Air Speed 空氣流速 Weight 散熱器的重量等。 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)。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(mǎn)足工程要求。 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。 . 器件參數(shù) 實(shí)驗(yàn)中用到的元器件參數(shù)如表 所示 表 元器件參數(shù)表 器件類(lèi)型 器件編號(hào) 器件參數(shù) 附注 變壓器 T 220V輸入 雙 17V， 10V輸出 整流橋 T1 3A T2 3A 穩(wěn)壓塊 LM317 結(jié)溫范圍： 0～ 120℃ LM337 LM7805 0～ 125℃ 電阻 R01 1K R02 1K R1 可變電阻 R2 R3 100 R4 240 R5 20Ω 20W 功率電阻 R6 20Ω 20W R7 10Ω 15W 器件類(lèi)型 器件編號(hào) 器件參數(shù) 附注 電阻 R8 20Ω 20W 功率電阻 R9 20Ω 20W R10 10Ω 15W 電容 C1 2200uF 電解電容 C2 2200μ F C5 10μ F C6 10μ F 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計(jì)與熱分析實(shí)驗(yàn) 9 器件類(lèi)型 器件編號(hào) 器件參數(shù) 附注 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 實(shí)驗(yàn)中用到的散熱片規(guī)格如圖 — 圖 所示： 圖 DF、 SRXYDF 系列散熱器規(guī)格（ 優(yōu)化前） 圖 DA、 SRXYDC 系列散熱器規(guī)格（優(yōu)化后） 散熱器參數(shù)如表 所示： 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計(jì)與熱分析實(shí)驗(yàn) 10 表 所選散熱器參數(shù) 型號(hào) 規(guī)格 L（㎜） 有效面積 (㎡ ) DF45 45 SRXYDF45 DA44 44 SRXYDC44 . 實(shí)驗(yàn)步驟 . 電路熱測(cè)量及計(jì)算 (1) 散熱器 優(yōu)化前 ① 在未接入穩(wěn)壓電路時(shí)，用電壓表分別測(cè)量出三路輸出電壓 1U 、 2U 、 3U 。 ② 接入穩(wěn)壓電路（設(shè) LM317穩(wěn)壓電路為第一路，其輸入輸出電壓分別為 1iU 和 1oU ；LM337 穩(wěn)壓電路為第二路，其輸入輸出電壓分別為 2iU 和 2oU ； LM7805 穩(wěn)壓電路為第三路，其輸入輸出分別為 3iU 和 3oU ）。 ③ 將三用表置為電流檔，并將其串聯(lián)到各路輸入端，分別測(cè)量出三路輸入電流 IiIi Ii3。 ④ 1K 、 2K 、 3K 斷開(kāi) (降額狀態(tài) )，調(diào)節(jié) 1R 、 2R ，使第一、第二路輸出分別為 +12V，12V 左右。 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 。 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。 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 。 以上各步測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 — 表 所示。 (2) 散熱器優(yōu)化后 將優(yōu)化后的散熱器實(shí)驗(yàn)板，接入到電源 系統(tǒng)中。其它實(shí)驗(yàn)步驟同上②、③、④步驟。測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 所示。 電源系統(tǒng)可靠性熱設(shè)計(jì)與熱分析實(shí)驗(yàn) 11 表 散熱器優(yōu)