影響功率器件散熱器散熱性能的幾何因素分析

Analysis of Geometric Factors on Effect Upon the Capability of Heat Sink of Power Component
FU Gui-cui , GAO Ze-xi ( Beijing University of Aeronautics and Astronautics , Dept . of Systems Engineering , Beijing 100083 , China)

Abstract : 　Heat sink consist of base and fin , the main parameters include the length of fin , the thickness of fin , the thickness of base and the width of base. Introduces the geometric structure of heat sink and researches  on the geometric factors effecting the capability of heat sink. Investigate that thermal resistance can be lowered effectively by changing the geometric parameters of heat sink and get better effect . Provides the gist for the choice and the optimization of heat sink.

Key words : 　power component ; thermal design ; heat sink ; thermal resistance
EEACC: 　8550

影響功率器件散熱器散熱性能的幾何因素分析  付桂翠, 高澤溪 (北京航空航天大學(xué), 工程系統(tǒng)工程系,北京　100083)

摘要:型材散熱器的幾何結(jié)構(gòu)由肋片和基座構(gòu)成,主要幾何參數(shù)包括肋片長、肋片厚,肋片數(shù)、基座厚、基座寬等,研究了型材散熱器幾何因素對其熱性能的影響,通過改變散熱器的幾何參數(shù),可以有效的降低散熱器的熱阻,獲得好的散熱效果。本文的研究為型材散熱器的的選擇及優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞:功率器件;熱設(shè)計;散熱器;熱阻

中圖分類號:TN305194 ;TN609 　　　文獻標識碼:A 　　　文章編號:1005 - 9490 (2003) 04 - 0354 - 03
　　功率器件是多數(shù)電子設(shè)備中的關(guān)鍵器件,其工作狀態(tài)的好壞直接影響整機可靠性。功率器件尤其是大功率器件發(fā)熱量大,僅靠封裝外殼散熱無法滿足散熱要求,需要配置合理散熱器有效散熱,而散熱器的選擇是否合理又直接影響功率器件的可靠性,因此分析影響散熱器散熱性能的因素,有利于合理選取散熱器,提高功率器件的可靠性[1 ] 。
1 　散熱器的選擇
　　在電子設(shè)備熱設(shè)計中,型材散熱器由于結(jié)構(gòu)簡單,加工方便、散熱效果好而得到了廣泛的應(yīng)用,其物理模型示意圖如圖1 所示[2 ] 。
它由肋片和基座構(gòu)成,主要的幾何參數(shù)包括肋片長、肋片厚,肋片數(shù)、基座厚、基座寬等。在選擇散熱器時一般需要依據(jù)散熱器熱阻來合理選擇,同時還需要考慮以下幾點:安裝散熱器允許的空間、氣流流量和散熱器的成本等。散熱器散熱的效果與散熱器熱阻的大小密切相關(guān),而散熱器的熱阻除了與散熱器材料有關(guān)之外,還與散熱器的形狀、尺寸大小以及安裝方式和環(huán)境通風條件等有關(guān),目前沒有精確的數(shù)學(xué)表達式能夠用來計算散熱器的熱阻,通常是通過實際測量得到。而散熱器的有效面積與散熱器幾何參數(shù)密切相關(guān)[3 ] 。

2 　影響散熱器散熱性能的幾何因素分析
　　通過實驗發(fā)現(xiàn),散熱器的幾何因素對散熱器的散熱性能有很大的影響,現(xiàn)以一典型型材散熱器為例,分析散熱器各幾何參數(shù)對散熱器散熱性能的影響。
選定某一功率器件(LM317) 為熱源,其工作電路原理圖如圖2 所示。工作在自然冷卻條件下,環(huán)境溫度為30 ℃,功耗為312 W,選取的散熱器為型材散熱器SYX- YDE(物理模型如圖3 所示) ,散熱器各個幾何參數(shù)如表1 所示。

表1 　散熱器相關(guān)幾何參數(shù)
肋片長mm 肋片厚mm 肋片高 mm 基座長mm 基座厚mm 肋片個數(shù)
44        2         9        75          4        8
熱源與散熱器表面為金屬與金屬的干接觸,無絕緣片也未涂硅脂或?qū)崮z,查有關(guān)手冊取熱源與散熱器之間的接觸熱阻為019 ℃/ W。通過散熱器設(shè)計分析軟件進行初步分析,散熱器優(yōu)化設(shè)計分析軟件采用的是美國Flunt 公司的Qfin 軟件,它采用計算流體動力學(xué)求解器,有限體積法,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以逼近復(fù)雜的幾何形狀,同時能實現(xiàn)散熱器肋片高度、長度等幾何參數(shù)的優(yōu)化。
通過散熱器優(yōu)化設(shè)計分析軟件得到的散熱器和熱源相關(guān)熱參數(shù)見表2。

表2 　未改變散熱器任何參數(shù)時得到的有關(guān)熱參數(shù)
散熱器熱阻℃PW 散熱器最高溫度℃ 熱源結(jié)溫℃
7. 03           52. 7             68. 37
下面具體分析改變散熱器各幾何參數(shù)對散熱器性能的影響。
選定散熱器熱阻為優(yōu)化目標,利用散熱器優(yōu)化設(shè)計軟件,設(shè)定散熱器某一幾何參數(shù)為優(yōu)化變量,比較優(yōu)化前后幾何參數(shù)的變化及對散熱器熱阻的影響。
1) 　散熱器肋片長度的影響
在散熱器優(yōu)化設(shè)計軟件中,按照建模向?qū)?其他幾何參數(shù)和環(huán)境條件均保持不變,分析肋片長度不同時,散熱器熱阻和熱源結(jié)溫的變化,得到如表3 分析結(jié)果。
表3 　改變肋片長度時分析結(jié)果比較
從表中數(shù)據(jù)可看出,肋片長度適當增加能減小器件結(jié)溫,但是過分增加肋片長度不能確保熱量傳導(dǎo)至散熱器肋片的末端,因此使傳熱受到影響,不能大大降低結(jié)溫,反而使散熱器重量增加太多。一般認為散熱器的肋片長度和基座寬度之比接近1 傳熱較好。
2) 　散熱器肋片厚度的影響
選定散熱器熱阻為優(yōu)化目標,肋片厚度為優(yōu)化變量,其他幾何參數(shù)及環(huán)境條件均保持不變。為了保證散熱器肋片的硬度,且易于加工,肋片厚度不能太薄,工程上一般設(shè)定肋片厚度≥1mm。按照上述條件,同理得到分析結(jié)果如表4 :
表4 　改變肋片厚度時分析結(jié)果比較

由于導(dǎo)熱主要沿著肋片的縱向方向,因而肋片的厚度對散熱器熱性能沒有太大的影響,肋片厚度的增加并沒有使熱源結(jié)溫降低很多,反而增加了散熱器的重量。同時改變散熱器肋片厚度也大大增加了加工難度。因此,一般散熱器進行工程優(yōu)化,并不選定散熱器的肋片厚度為優(yōu)化目標。
3) 　散熱器肋片高度的影響
在散熱器優(yōu)化設(shè)計軟件中,按照建模向?qū)?分別新建肋片高度為5mm 和18mm 的散熱器模型,其他幾何參數(shù)和環(huán)境條件均保持不變,分析肋片高度不同時,散熱器熱阻和熱源結(jié)溫的變化,得到如表5 分析結(jié)果。
表5 　改變肋片高度時分析結(jié)果比較
由表中可以看出肋片高度對散熱器熱性能有很大影響,一般隨著肋片高度的增加,器件的熱量更易通過肋片散至周圍空間。但是如果肋片高度過高,散熱器體積增加太多,不符合航空航天設(shè)備體積小,重量輕的要求,因此散熱器肋片高度不宜過高。一般肋片的高度加倍,則散熱能力為原來114倍。選定優(yōu)化目標為散熱器熱阻,優(yōu)化變量為散熱器肋片高度,得到優(yōu)化結(jié)果如表6 所示。
表6 　片高度優(yōu)化結(jié)果比較
4) 　散熱器肋片個數(shù)的影響
選定散熱器熱阻為優(yōu)化目標,肋片個數(shù)為優(yōu)化變量,其他幾何參數(shù)及環(huán)境條件均保持不變,得到如表7 所示分析結(jié)果:
表7 　改變肋片個數(shù)時分析結(jié)果比較
一般隨著肋片數(shù)目的增多熱源結(jié)溫會有所降低,但是超過某一數(shù)值后隨著肋片的增多器件結(jié)溫沒有明顯變化,而散熱器重量明顯增加。同時肋片數(shù)目增加有時還要考慮器件安裝的問題,有的器件安裝在散熱器兩肋片之間,如果肋片數(shù)太多,器件不易安裝在散熱器上。因而不能盲目增加肋片的數(shù)目。
5) 　散熱器材料及輻射的影響
散熱器以對流和輻射形式散熱。在自然對流情況下,應(yīng)考慮輻射的影響,這里邊界條件考慮的是自然對流及輻射,散熱器的材料不同時引起散熱器導(dǎo)熱系數(shù)的變化。仍舊選定散熱器熱阻為優(yōu)化目標,選定散熱器材料為銅或鋁,得到如下分析結(jié)果:
表8 　改變散熱器材料時分析結(jié)果比較

　由上表數(shù)據(jù)可知,散熱器材料選取銅或者鋁對于散熱器性能并沒有太大影響,這表明限制散熱器熱阻的一般是固體- 流體表面的熱阻。如果散熱器表面未進行氧化處理,對于散熱器熱阻和性能有較大影響。所以散熱器一般都要進行煮黑氧化處理,降低散熱器熱阻,減小熱源結(jié)溫,使得器件更安全可靠工作。

3 　誤差分析
　　選取熱源與散熱器上的若干點,分別進行軟件模擬分析與實際熱測量, 熱測量采用的是HP34970A 溫度測量儀,測溫誤差為±015 ℃,得到的結(jié)果見表9 所示:
表9 　模擬分析與實際測量溫度對照表

4 　小　結(jié)
　　在上述改變散熱器各幾何參數(shù)中,并沒有改變基座的幾何參數(shù),由于散熱器主要是靠肋片增加散熱器表面積達到有效散熱,基座對于散熱器的影響并不明顯。而且改變基座的尺寸在工程實際中不易實現(xiàn),還會使散熱器成本太高。因此一般散熱器優(yōu)化設(shè)計時不考慮散熱器基座的尺寸。
綜合以上數(shù)據(jù)分析可知,散熱器肋片的厚度對散熱器性能的影響不如散熱器其他幾何參數(shù)的影響明顯。而肋片高度對散熱器散熱性能的影響比肋片長度影響大,適當增加散熱器肋片的長度、高度和厚度可以增加散熱面積,改善散熱效果,但散熱器尺寸大到一定程度時,對于散熱器散熱性能的影響不明顯,還會增加體積、重量和成本。因此,在進行散熱器優(yōu)化設(shè)計時,應(yīng)考慮影響散熱器散熱性能的主要因素,合理選擇散熱器的幾何尺寸,在保證散熱器體積小、重量輕的情況下達到最佳的散熱效果。

參考文獻:
[1 ] 　余建祖. 電子設(shè)備熱設(shè)計及分析技術(shù)[M] ,北京航空航天大學(xué). 2000.
[2 ] 　王健石. 半導(dǎo)體器件散熱器圖冊[M] ,中國標準出版社. 1995.
[3 ] 　Seri Lee , Optimum Design and Selection of Heat Sink [J ] ,1995 ,IEEE Trans on Components ,Packing ,and ,ManufacturingTechnology ,PartA ,1995 ,8 (4) :812 - 816.

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