自然空气冷却情况下功率器件散热器的优化设计
龙 昊，付桂翠，高泽溪
（北京航空航天大学工程系统工程系，北京 100083）
摘要:介绍了功率器件散热器的散热原理，提出散热器的优化问题。叙述了功率器件在自然空气冷却状态下如何初选散热器，并采用散热器优化软件对散热器进行优化设计。讨论了散热器的理论优化和工程优化的不同，在工程实际情况下功率器件如何与散热器达到最优匹配；还分析了不同工作状态下界面热阻、功耗和热辐射等因素对散热效果的影响。
关键词: 热设计,热阻,散热器,优化,Qfin
中图分类号: TN305.94；TN609 文献标识码:A 文章编号:1001-2028（2003）03-0018-04
The Optimum Thermal Design of Heat Sinks in the Cooled by Natural Convection
LONG Hao, FU Gui-cui, GAO Ze-xi
(Department of Systems Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China)
Abstract: The working principle of heat sinks is explained. The selection of heat sinks for power components cooled by natural convection is discussed. Computer software was used in the optimization of the heat sinks. The differences between the theoretical optimization and the practical optimization are compared. The optimized match of power components with the heat sinks in practical working situations is also discussed. The effects of interface resistance, power and thermal radiation on cooling in various environments are analyzed.
Key words: thermal design; thermal resistance; heat sinks; optimization,Qfin
随着现代电子设备对可靠性要求、性能指标、功率密度等的进一步提高，电子设备的热设计也越来越重要。功率器件是多数电子设备中的关键器件，其工作状态的好坏直接影响整机可靠性。功率器件尤其是大功率器件发热量大，仅靠封装外壳散热无法满足散热要求，需要配置合理散热器进行有效散热。以前所
探讨的散热器的优化设计，单纯从散热器的热阻方面考虑其散热性能，但是当器件安装散热器之后，要考虑的是在器件允许结温范围内，散热器和功率器件的最优匹配，以使散热器重量轻，体积小，成本低。
1 功率器件散热器优化设计
经过初选合适散热器，功率器件的结温可降低至允许范围内。但是所选散热器可能体积太大，无法满足工程实际要求。功率器件结温在允许范围内，散热器体积最小可认为达到优化。优化散热器的流程图如图1 所示
1.1 功率器件散热器热阻网络及热阻计算分析
功率器件装上散热器后，其散热途径将会有所变化。内热阻RTj 保持不变，器件的热量一方面通过外壳直接向周围传递，其热阻为RTp；另一方面热量传给散热器，热阻为RTc，然后由散热器再把热量发散
1.2 散热器的选取
2 散热器优化结果分析
经过初选合适散热器以后，功率器件通过散热器散热之后结温降低至允许结温之内。但是所选散热器可能散热面积太大，重量较重，使得成本太高，并未实现散热器的优化，功率器件与散热器没有达到最优匹配。当功率器件在安全结温工作时，所优化的散热器的散热面积应达到最优，同时能保证功率器件安全可靠工作。考虑到实际的工程误差，取安全结温比允许结温点低10℃左右，例中取安全结温95℃。
散热器优化软件采用Fluent 公司的Qfin 软件，它是专门的散热器优化软件，采用计算流体动力学求解器，有限体积法非结构化网格可以逼近复杂的几何形状，同时实现散热器肋片高度，长度等几何参数的优化。散热器的优化问题是一个有约束的多变量非线性问题。优化目标选定为散热器的质量；优化变量为设计者可控制的散热器的几何参数，包括肋片的厚度、高度、长度以及基座厚度和宽度等，考虑到散热器的强度和加工方便，取定肋片厚度≥1 mm，基座厚度≥2 mm，其他环境条件及输入变量如前所述。表2 是未优化原型和优化后的结果比较。优化后的散热器散热器面积减小，质量减轻，散热器的热阻相应增大，但是器件结温仍旧在安全结温以内，因此器件可以正常可靠地工作，实现了器件与散热器理想优化。理想优化在实际工程中不常采用，但是对于某些航空航天设备要求体积尽可能小，质量尽可能轻，则需散热器厂商按照优化尺寸重新设计散热器以满足器件和散热器的最优匹配。在工程优化时，需要考虑的是改变易于制造的几何参数进行散热器的优化，比如散热器的肋片长度或者高度等。
3 影响功率器件散热的其他因素分析
在不同的工作状态下，散热器的散热效果不同，对散热器的选择和优化有很大影响，例如，高温环境下可能所选散热器不能达到功率器件的散热要求，使得器件损坏。影响散热器的散热效果的因素较多，现主要介绍界面热阻，功耗以及辐射的影响。
（1）界面热阻的影响
功率器件加了散热器之后，系统总热阻，包括功率器件内热阻、界面热阻以及散热器热阻。通过散热器优化设计可以降低散热器热阻。界面热阻，包括接触热阻和绝缘衬垫热阻。接触热阻的影响因素较为复杂，没有具体的公式，只有根据实验或参考实测数据来选择。减小接触热阻，可以采取的措施有：加大接触面之间的压力；提高接触面的加工精度；接触表面之间加导热衬垫，一般而言，在接触面涂覆硅脂，可使接触热阻降低20%~50%。在功率混合集成电路与散热器要绝缘的情况下，则要考虑绝缘衬垫热阻，它取决于绝缘片的类型和厚度，公式如下：
式中：Rkc 为绝缘衬垫热阻（℃/W）；S 为有效接触面积（cm2）；d 为绝缘片厚度（mm）；K 为绝缘片的热导率[2]。
（2）功耗的影响
器件的功耗越大，发热量也越多，功耗太大使得散热器温升超过允许范围，无法满足散热要求。本文例中选取型材散热器SRX—YDE，热源功耗不同时分析结果如表3 所示。
（3）辐射的影响
散热器是以对流和辐射形式散热的，在自然对流情况下应考虑辐射散热的影响。当其他条件未变（热源功耗为3.25W，采用型材散热器SRX—YDE，环境温度为30.8℃）时，考虑和不考虑辐射分析结果如表4 所示。
从表5 看出：环境温度对器件结温的影响很大。
因此，在不同的环境温度，要经过试验，合理选择相应的散热器才能使功率器件更有效散热。
4 结束语
功率器件是电子设备中发热较多的重要器件，必需采用散热器，保障器件正常工作。针对功率器件散热器的优化设计，提出工程优化，即保证功率器件在安全结温下正常工作，同时散热器的优化不能单纯以热阻最小为优化目标，还要考虑散热器的强度和加工工艺等因素，对散热器的散热面积或者质量进行优化。
在进行散热器的选取和优化时，也不可忽视功率器件在不同工作状态下，对散热器散热效果的影响。
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（编辑：朱盈权）
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