影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析

Analysis of G eometric F actors on E ffect Upon the C apability of

H eat Sink of Pow er Component

FU Gui2cui,G AO Ze2xi

(Beijing Univer sity o f Aeronautics and Astronautics,Dept.o f Systems Engineering,Beijing100083,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. K ey w ords:　power com ponent;thermal design;heat sink;thermal resistance

EEACC:　8550

影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析

①

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:型材散热器的几何结构由肋片和基座构成,主要几何参数包括肋片长、肋片厚,肋片数、基座厚、基座宽等,研究了型材散热器几何因素对其热性能的影响,通过改变散热器的几何参数,可以有效的降低散热器的热阻,获得好的散热效果。本文的研究为型材散热器的的选择及优化设计提供了依据。

关键词:功率器件;热设计;散热器;热阻

中图分类号:T N305194;T N609 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2003)04-0354-03

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有效散热,而散热器的选择是否合理又直接影响功率器件的可靠性,因此分析影响散热器散热性能的因素,有利于合理选取散热器,提高功率器件的可靠性[1]。

1　散热器的选择

在电子设备热设计中,型材散热器由于结构简单,加工方便、散热效果好而得到了广泛的应用,其物理模型示意图如图1所示[2]。

它由肋片和基座构成,主要的几何参数包括肋片长、肋片厚,肋片数、基座厚、基座宽等。在选择散热器时一般需要依据散热器热阻来合理选择,同时还需要考虑以下几点:安装散热器允许的空间、气流流量和散热器的成本等。散热器散热的效果与散热器热阻的大小密切相关,而散热器的热阻除了与散热器材料有关之外,还与散热器的形状、尺寸大小以及安装方式和环境通风条件等有关,目前没有精确的数学表达式能够用来计算散热器的热阻,通常是通过实际测量得到。而散热器的有效面积与散热器几何参数密切相关[3]。

第26卷第4期2003年12月

电　子　器　件

Chinese Journal of E lectron Devices

V ol.26,N o.4

Dec.2003

①收稿日期:2003-07-01

作者简介:付桂翠(1968-),女,副教授,现主要从事可靠性工程,电子设备热设计技术研究工作,曾在国内外核心刊物上发 表论文十余篇,fuguicui@或fuguicui@;

高泽溪(1940-),男,教授,主要从事可靠性工程、电子设备热设计技术研究,获国防科工委、航空工业部科技进 步奖多次,在国内外核心刊物上发表论文数十篇.

图1　型材散热器的物理模型示意图

2　影响散热器散热性能的几何因素分析

通过实验发现,散热器的几何因素对散热器的

散热性能有很大的影响,现以一典型型材散热器为例,分析散热器各几何参数对散热器散热性能的影响。

选定某一功率器件(LM317)为热源,其工作电路原理图如图2所示。工作在自然冷却条件下,环境温度为30℃,功耗为312W ,选取的散热器为型材散热器SY X -Y DE (物理模型如图3所示),散热器各个几何参数如表1所示

。

图2　LM317

工作电路

图3　SY X -Y DE 物理模型表1　散热器相关几何参数

肋片长

mm 肋片厚

mm 肋片高

mm

基座长

mm 基座厚

mm 肋片个数

44

2

9

75

4

8

热源与散热器表面为金属与金属的干接触,无

绝缘片也未涂硅脂或导热胶,查有关手册取热源与散热器之间的接触热阻为019℃/W 。通过散热器设计分析软件进行初步分析,散热器优化设计分析软件采用的是美国Flunt 公司的Q fin 软件,它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,同时能实现散热器肋片高度、长度等几何参数的优化。

通过散热器优化设计分析软件得到的散热器和热源相关热参数见表2。

表2　未改变散热器任何参数时得到的有关热参数散热器热阻℃ΠW 散热器最高温度℃热源结温℃

7.0352.768.37

下面具体分析改变散热器各几何参数对散热器性能的影响。

选定散热器热阻为优化目标,利用散热器优化设计软件,设定散热器某一几何参数为优化变量,比较优化前后几何参数的变化及对散热器热阻的影响。

1)　散热器肋片长度的影响

在散热器优化设计软件中,按照建模向导,其他几何参数和环境条件均保持不变,分析肋片长度不同时,散热器热阻和热源结温的变化,得到如表3分析结果。

5

53第4期 付桂翠,高泽溪:影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析