Icepak軍用機(jī)箱散熱解決方案

2017-06-06  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

一、項(xiàng)目的必要性

對(duì)于軍用電子設(shè)備,工作環(huán)境相當(dāng)惡劣,因此通常采用密封機(jī)箱來解決這一問題,而密封與散熱則是一對(duì)矛盾,在設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)考慮內(nèi)部和外部的兩種熱設(shè)計(jì)方案,通過合理的熱設(shè)計(jì),使其從內(nèi)部向外部的傳熱達(dá)到最佳狀態(tài),從而保證電子設(shè)備正常工作。

傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)理論和方法于上世紀(jì)六、七十年代逐漸形成,受當(dāng)時(shí)傳熱學(xué)和傳熱技術(shù)發(fā)展水平的限制,只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)類比或利用由以物理相似理論為基礎(chǔ)的有限的準(zhǔn)則換熱公式進(jìn)行預(yù)先估計(jì),并與實(shí)驗(yàn)交替進(jìn)行來完成整個(gè)產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)。這些方法的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較差,只能做一些簡(jiǎn)單的定性分析,并且設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)、材料浪費(fèi)較多、研制成本較高,嚴(yán)重影響了電子產(chǎn)品的開發(fā)工作。近年來,隨著傳熱技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的方法也得到了不斷的改進(jìn)。目前,以計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算傳熱學(xué)為基礎(chǔ)的一些新型電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)技術(shù)在逐漸形成,電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)技術(shù)作為一門新的學(xué)科已經(jīng)建立起來,一些學(xué)者和工程技術(shù)人員致力于這方面的研究工作,并獲得了一些初步的成果,在此基礎(chǔ)上人們針對(duì)以往那種先有產(chǎn)品后做熱設(shè)計(jì)的做法提出了一種新的熱設(shè)計(jì)思想,即前端熱設(shè)計(jì)。所謂前端熱設(shè)計(jì)是指在產(chǎn)品的預(yù)研和開發(fā)階段解決熱設(shè)計(jì)的基本問題,對(duì)熱設(shè)計(jì)的方案的可行性進(jìn)行全面分析,對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),對(duì)熱設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和優(yōu)化。

前端熱設(shè)計(jì)要求需有可靠的仿真計(jì)算工具進(jìn)行熱設(shè)計(jì)的前端分析,要求能夠得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果,并能將結(jié)果定量地生動(dòng)地呈現(xiàn)出來。目前市面上的商用仿真軟件,從建模處理、網(wǎng)格劃分、求解計(jì)算和結(jié)果后處理綜合來看,ANSYS ICEPAK無疑是最佳的選擇。

二、項(xiàng)目背景

這里以一個(gè)全封閉、無風(fēng)扇機(jī)箱設(shè)備開發(fā)案例的熱設(shè)計(jì)過程來闡述ICEPAK在產(chǎn)品開發(fā)過程中的有效性和必要性

問題的關(guān)鍵就是在不增加系統(tǒng)溫升的情況下怎么處理系統(tǒng)散熱

總體方案:整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)艙組成,變壓器艙,主Power板艙,散熱片艙,三個(gè)艙相互隔開,以減少相互影響。

系統(tǒng)thermal模型圖如下圖所示:

三、分析過程

3.1 變壓器

在此種UPS中,變壓器是一個(gè)較大的功耗元器件,對(duì)系統(tǒng)的溫升的影響不可忽視,進(jìn)而影響到其他功耗元器件得溫升。本項(xiàng)目中,通過分析機(jī)箱的三種不同設(shè)計(jì),來觀察整體溫度場(chǎng)的變化情況。

1.變壓器與Power板用薄板隔開

上圖為加隔板前后整個(gè)溫度場(chǎng)分布情況,由圖可以看見,加隔板后,Power板側(cè)的元器件溫升都有所下降了10~20℃。

作用:將Power 板密閉,與外界隔絕;減小變壓器對(duì)Power板側(cè)的溫度影響;

2.變壓器鐵心四周加散熱片

加散熱片前,變壓器的最高溫度約為148℃。

加散熱片后,溫度降為110℃。

3.變壓器艙合適位置開孔

在變壓器一側(cè)開孔,氣流比較紊亂,無明顯的流場(chǎng),變壓器的溫升也較高。

在變壓器側(cè)面兩側(cè)底部及其正上方頂部開孔,由圖可見,氣流從底部進(jìn)入,頂部流出,帶走變壓器的熱量,變壓器的溫升較前有所改善。

3.2 Inverter電路中的Mosfet的散熱片外掛

負(fù)載1000va,700w。3w/pcs Mosfet,共用20pcs的結(jié)果如下:

散熱片規(guī)格為:97×280×40mm3,此款散熱片用在2000va,1400w時(shí),4.9w/pcs Mosfet。溫度分布如下圖所示:

溫升較高,當(dāng)散熱片改為:110×380×40 mm3(2000VA,1400w),溫升如圖所示:

其它措施:選用開關(guān)時(shí)間更短的Mosfet,降低本身功耗

3.3濾波電容,晶振溫升解決

layout時(shí)的電容位置盡量分開

2.在晶振上加小散熱片

下圖為加散熱片前后溫度分布對(duì)比圖:

四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果所給出的技術(shù)方案:

試驗(yàn)溫升數(shù)據(jù)(放電11小時(shí),取最大值),單位:℃

五、結(jié)論

經(jīng)過以上動(dòng)作后,除了改PCB板以便安裝散熱片外,此種設(shè)備的散熱問題完全可以解決。

通過以上實(shí)例,我們能看到熱分析軟件在產(chǎn)品開發(fā)、優(yōu)化中的巨大使用價(jià)值。利用ICEPAK的仿真能力,我們能在產(chǎn)品開發(fā)的初始階段,尋找最佳的散熱布局,優(yōu)化器件的選型,減少乃至消滅設(shè)計(jì)失誤,減少設(shè)計(jì)的反復(fù),減少試驗(yàn)樣機(jī)的打樣數(shù)量。最終減少了時(shí)間和成本需求,提高了設(shè)計(jì)效率。

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