【自动化】电源机箱结构设计与优化

学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在10年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“”）作者签名年月日导师签名年月日武汉理工大学本科生毕业设计论文任务书毕业设计论文题目电源机箱结构设计与优化（一）设计（论文）主要内容利用SOLIDWORKS等软件对一款逆变器机箱结构进行优化设计，要求美观紧凑。该逆变器参数为输入电压为350V直流电，输出电压为220V单相交流电，功率为6KW，采用基于MOS管的技术。并利用温度分析软件分析在该架构下的温度分布情况，最后对结构进行散热方面的优化设计。（二）完成的主要任务及要求1、用SOLIDWORKS建立各元件图形模型。2、用SOLIDWORKS完成整机设计。3、用温度分析软件对该架构温度分布情况进行分析，并进行散热设计。4、读本人研究生者优先选择。（三）完成任务的时间节点第1周，选题；第2周，下载任务书，查阅相关文献资料，明确研究目标，了解研究所需数据资料的收集方式与分析工具的使用；第3周，确定研究内容，开始外文资料的翻译，完成开题报告；第4周，开题报告审查；第56周，中期检查，进行研究内容的数据收集、理论分析与设计；第79周完成论文相关研究工作；第10周，完成毕业论文的初稿；第1112周，修改毕业论文，上传毕业论文；第1314周，修改论文，提出答辩申请，准备论文答辩；第15周，毕业论文答辩；第16周，整理毕业论文上交。（四）必读参考文献1刘兵ICEPAK软件在电子设备热设计中的应用电脑知识与技术201305115111652阎兆军电子机箱热分析建模与仿真技术研究西安西安电子科技大学2010013陈捷恺6KWDC/DC变换器热分析及散热结构优化武汉武汉理工大学2014054朱敏波赵淳殳王世萍电子设备机箱热分析软件设计与实现计算机辅助工程1997026064指导教师签名年月日系主任签名年月日院长签名章年月日论文开题报告1、目的及意义对于基于MOS管的的大功率逆变器，温度是保证其工作可靠性的决定因素之一，因此，对逆变器机箱进行热分析并对结构进行是进行优化设计是MOS管逆变器设计不可或缺的环节。据统计，55以上电子设备损坏失效都是因为冷却系统设计不良所致。其失效率随着温度的升高呈指数增长趋势，甚至有的器件环境温度每升高10，失效率增大1倍以上。尤其是场效应逆变器中的功率器件，会产生大量的热量，若不及时排除，将引起电子电路板的热流密度过高，影响电路的可靠性和寿命。电源电路内部的温升超过极限值时，将导致元器件失效。所以，对逆变器机箱进行热设计和热分析，在产品的整个过程中有着举足轻重的作用。传统的热设计通常是根据经验，或应用有限的换热公式进行预先估计，生产出成品后，再通过实验来检验。产品若不能满足要求，就要经历修改、再设计、再生产、再检验。显然，这种传统的热设计方法已不能满足现代化的生产需求。因此，在产品设计阶段对其进行有效的热仿真是非常必要的。热分析软件能够比较真实地模拟系统的热分布状况，能够在产品设计阶段对其进行热仿真，确定模型中的温度最高点。通过对模型进行修改或采取必要的散热措施，消除其热问题，使其最高温度在允许的温度范围内，达到设计要求。设计师必须对热设计进行深入的分析和研究，才能更好地解决产品设计中的问题。热设计的目的就是要改进其结构设计与材料的选择，寻求最佳的导热材料与散热结构，使整个逆变器中产生的热量尽可能快速传输且散发到周围环境中去，有效控制温度以满足系统可靠性的要求。热控制方案的选择对其可靠性和成本都有深远的影响，优良的热控制技术可以保证电源模块维持良好的工作性能和延长使用寿命。可见通过对损耗的分析计算得到数据参数，建立电路各模块温度模型。通过对热分析软件的运用，合理布置散热器件，设计散热通道，选择散热方式，从而确定优化方案，可以达到降低成本和提高性能的目的，意义巨大。2、国内外研究现状随着电子技术的发展以及电力电子设备的广泛普及，场效应逆变器在通信、军事、航天、卫星、运输、航海方面获得了越来越多的应用，场效应逆变器中用MOS管作功率转换元件几乎不需要信号源提供电流和功率，可大大简化电路，特别适合高频工作。有着更高的能量转换效率，拥有更低的发热特性，更长的平均无故障时间以及更高的可靠性以及更小的体积。从八十年代末开始电气工程设计师们就已经开始尝试场效应逆变器的研究，大量积聚的热量又成了设计师们新的难题。当时因为受落后的生产工艺以及理论研究水平的限制，开关元件还无法达到很高的开关速度，强行提高元件的开关频率必然将会引起开关损耗的急剧增加，影像设备的正常运行。为解决这一矛盾，各种软开关技术应运而生，工程师们期望通过对MOSFET开关性能的提升达到减少MOSFET开关损耗的目的。经过多年的研究比较后，有两种软开关技术通过了工程实践的检验，获得了市场的广泛认可其中一项是由VICOR公司开发出的的有源箝位ZVS软开关技术；另一项是在九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。另一方面，随着半导体技术在生产材料以及生产工艺上的迅猛发展，以前制约着MOSFET性能提升的诸多难题被一一攻克，功率MOSFET的性能获得了飞跃性的提升。使得当今的MOSFET的导通电阻、开关时间、以及栅极电容等参数获得了大幅的减小。如今随着微处理器在控制电路中的应用，仅需通过对逻辑电平的切换即可实现对功率MOSFET进行导通控制，使场效应逆变器较上一代晶体管逆变器有着质的飞跃。目前，微处理器已经广泛的参与输出电压调节、频率设置、脉宽调制、占空比大小的控制、降频升频控制等工作，而且微处理器的生产成本随着半导体技术的进步不断降低，这使得其应用范围变得越来越广泛同时国内外也展开了电子元器件的热分析研究，随着计算机技术的发展和航空航天技术在军事领域的应用，电子设备及仪器热控制技术受到普遍重视，美国在七十年代就颁布了可靠性热设计手册，作为航空电子设备的强制性标准执行以色列空军在美国机载电子热分析和热测试技术的基础上加以改进和应用，并把热设计和热测试作为机载电子设备产品研发和交付过程中必不可少的一个环节；日本电气公司在九十年代中期研制的巨型计算机中就己经成功地运用了液冷技术来进行环境温度控制。目前，国外在电子设备热分析方面的技术已趋成熟，能够解决稳态和瞬态不同情况下的元器件级、板级和设备级的热分析。热设计的研究工作也在进行，一些专业热设计软件得到了广泛应用，电路板的优化布局技术也趋向成熟，一些新的测量元件和测量方法正大量涌现，如铂薄膜热电阻的步进插阻温度计和辐射测温技术等。同国外相比，我国的模块化电子设备热分析及结构设计工作起步较晚，理论基础薄弱。国内整个民用电子工业正处于发展阶段，电子设备的热分析、热设计、热测试技术的研究较少，水平较低，尚处于起步阶段。在国内民用电子行业中，电子设备研制单位存在着仅凭经验作一些初步的热设计和采取一定控制措施的误区，没有进行科学合理的热分析、热设计与热试验工作，电子产品的热设计、热控制措施缺乏科学性和合理性，因而其可靠性与国外同类产品相比有较大差距。3研究内容和技术路线31研究内容本毕业设计论文以6KWMOS管逆变器为研究对象，对逆变器器各部分进行损耗计算，通过热分析软件建立温度模型，通过对温度模型的分析，布置元件摆放位置及设计散热方案实现结构优化设计，提出最佳散热结构。研究内容可分为以下几点（1）用SOLIDWORKS建立各元件图形模型。运用SOLIDWORKS软件建立个元件的三维仿真图，并完成整机设计。（2）逆变器损耗分析及计算逆变器的损耗主要包括开关元件的损耗、磁性元件的损耗、电容类元件的损耗等。通过损耗分析，为下一步的研究提供理论支持。（3）热分析及模型建立通过热分析软件，根据环境、发热量、物体形状及散热方式建立温度模型，从而可以在产品装箱调试前完成对逆变器整体发热情况的了解。（4）结构优化根据仿真软件的温度模型，合理调节逆变器中各模块在机箱中的位置，选择正确的散热方式，对散热片的尺寸及形状重新设计以实现快速散热，并建立流道机箱模型，分析气流流动状况，并在不影响功能的情况下实现对机箱散热结构的优化设计。32技术路线（1）划分MOS管逆变器各模块，确定热源（2）查询模块中各个元件的型号和材料特性（3）计算各发热模块的损耗（4）在热分析软件中加载必要的设计数据（5）建立温度模型（6）合理设计布局及散热通道，实现结构优化设计相关资料查询逆变器设计损耗分析与计算热分析与建模散热结构优化设计MOS管逆变器热分析及结构优化3、进度安排第1周，选题；第2周，下载任务书，查阅相关文献资料，明确研究目标，了解研究所需数据资料的收集方式与分析工具的使用；第3周，确定研究内容，开始外文资料的翻译，完成开题报告；第4周，开题报告审查；第56周，中期检查，进行研究内容的数据收集、理论分析与设计；第79周完成论文相关研究工作；第10周，完成毕业论文的初稿；第1112周，修改毕业论文，上传毕业论文；第1314周，修改论文，提出答辩申请，准备论文答辩；第15周，毕业论文答辩；第16周，整理毕业论文上交。4、参考文献5刘兵ICEPAK软件在电子设备热设计中的应用电脑知识与技术201305115111656阎兆军电子机箱热分析建模与仿真技术研究西安西安电子科技大学2010017陈捷恺6KWDC/DC变换器热分析及散热结构优化武汉武汉理工大学2014058朱敏波赵淳殳王世萍电子设备机箱热分析软件设计与实现计算机辅助工程19970260649苏世明，李伟电子设备机箱散热仿真分析光电技术应用201303646710王萌高密度密闭电子设备热设计及其结构优化西安西安电子科技大学20070111周敏，吴淑泉电子设备强迫风冷设计的计算机仿真计算机工程20030917117212刘玉绵基于ICEPAK软件的电子设备机箱的优化设计信息科技201220520613周峮密闭式电子设备热分析方法仿真研究计算机仿真20121141641914余运江单相光伏并网逆变器的研究杭州浙江大学20085、指导教师意见指导教师签名年月日目录摘要1ABSTRACT21绪论311研究的目的及意义312国内外研究现状413设计思路514电子设备热分析技术发展概况与发展趋势6141电子设备热分析技术发展概况62逆变器器机箱热分析研究721热分析的基本原理7211热分析软件ICEPAK简介8212流体力学基础NS方程8222数值法求解温度场比较922逆变器热分析1023机箱结构设计10231热设计参数计算10232散热方案选择1224本章小结1336KWMOS管逆变器机箱热仿真分析1531热仿真试验1532设计参数对散热结果影响20321散热方式对散热结果的影响20322散热片参数对散热结果的影响21323风道结构对散热结果的影响23324热源布置对散热结构的影响2433功率管逆变器优化方案确定2534本章小结294电源机箱三维设计3041电源机箱设计理念30411实施方案及拟采取的研究方法和技术路线31412可行性分析3242光伏电源设计思路3242148V逆变器主要板块设计3343本章小结37总结及展望386参考文献39致谢40摘要国际上，全球著名公司XANTREX的SUNTIEXR系列并网控制器带来了光伏市场格局的重大变化，其根据光伏市场需要推出的产品系列覆盖了中、大功率范围，也可将多台中功率的控制器并联构成系统，而且控制器中也集成了最大功率跟中环节。同时，这带动了我国光伏发电方面的发展，我国政府出台了一些列的政策，如金太阳示范工程财政补助资金管理暂行办法以及关于做好分布式电源并网服务工作的意见等，为光伏发电的发展提供了有力支撑。本论文以家用太阳能发电系统的设计为核心，根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳能直接转换为电能，可直接作为电源驱动负荷，亦可切换到外部三相电网，实现小型光伏并网系统的运行。绘制出电源机箱的三维模型并对其进行热稳定分析。关键词电源机箱SOLIDWORKS温度分析ICEPAKABSTRACTINTERNATIONALLY,THEWORLDFAMOUSCOMPANYXANTREXSUNTIEXRSERIESGRIDCONTROLLERBROUGHTAMAJORCHANGEINTHEPHOTOVOLTAICMARKETPATTERN,ITSACCORDINGTOTHEREQUIREMENTSOFTHEPHOTOVOLTAICMARKETLAUNCHOFTHEPRODUCTLINECOVERSARANGEOFMEDIUMANDHIGHPOWER,ALSOCANBEMORETAIZHONGPOWERCONTROLLERINPARALLELSTRUCTUREOFSYSTEM,ANDTHECONTROLLERISINTEGRATEDWITHTHEMAXIMUMPOWERATTHESAMETIME,ITLEDTOTHEDEVELOPMENTOFPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONINCHINA,OURGOVERNMENTHASISSUEDASERIESOFPOLICIES,SUCHAS“GOLDSUNDEMONSTRATIONPROJECTFINANCIALAIDFUNDSMANAGEMENTINTERIMMEASURES“AND“ABOUTTHEOPINIONSOFTHEDISTRIBUTEDPOWERGRIDSERVICEWORK,ETC,PROVIDEDSTRONGSUPPORTFORTHEDEVELOPMENTOFPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONINTHISPAPERTHEDESIGNOFHOUSEHOLDSOLARPOWERGENERATIONSYSTEMASTHECORE,ACCORDINGTOTHEPRINCIPLEOFLIGHTBORNVEFFECT,USINGSOLARCELLSCONVERTSOLARENERGYDIRECTLYTOELECTRICALENERGY,CANBEDIRECTLYASALOADPOWERSUPPLY,CANALSOSWITCHTOTHEEXTERNALTHREEPHASEPOWERGRID,THEOPERATIONOFSMALLPHOTOVOLTAICPVGRIDSYSTEMDRAW3DMODELOFTHEPOWERSUPPLYCHASSISANDITSTHERMALSTABILITYANALYSISKEYWORDSPOWERSUPPLYCHASSISSOLIDWORKSICEPAKTEMPERATUREANALYSIS1绪论11研究的目的及意义据统计，55以上电子设备损坏失效都是因为冷却系统设计不良所致。其失效率随着温度的升高呈指数增长趋势，甚至有的器件环境温度每升高10，失效率增大1倍以上。尤其是场效应逆变器中的功率器件，会产生大量的热量，若不及时排除，将引起电子电路板的热流密度过高，影响电路的可靠性和寿命。电源电路内部的温升超过极限值时，将导致元器件失效。所以，对逆变器机箱进行热设计和热分析，在产品的整个过程中有着举足轻重的作用。传统的热设计通常是根据经验，或应用有限的换热公式进行预先估计，生产出成品后，再通过实验来检验。产品若不能满足要求，就要经历修改、再设计、再生产、再检验。显然，这种传统的热设计方法已不能满足现代化的生产需求。因此，在产品设计阶段对其进行有效的热仿真是非常必要的。热分析软件能够比较真实地模拟系统的热分布状况，能够在产品设计阶段对其进行热仿真，确定模型中的温度最高点。通过对模型进行修改或采取必要的散热措施，消除其热问题，使其最高温度在允许的温度范围内，达到设计要求。设计师必须对热设计进行深入的分析和研究，才能更好地解决产品设计中的问题。热设计的目的就是要改进其结构设计与材料的选择，寻求最佳的导热材料与散热结构，使整个逆变器中产生的热量尽可能快速传输且散发到周围环境中去，有效控制温度以满足系统可靠性的要求。热控制方案的选择对其可靠性和成本都有深远的影响，优良的热控制技术可以保证电源模块维持良好的工作性能和延长使用寿命。可见通过对损耗的分析计算得到数据参数，建立电路各模块温度模型。通过对热分析软件的运用，合理布置散热器件，设计散热通道，选择散热方式，从而确定优化方案，可以达到降低成本和提高性能的目的，意义巨大。12国内外研究现状随着电子技术的发展以及电力电子设备的广泛普及，场效应逆变器在通信、军事、航天、卫星、运输、航海方面获得了越来越多的应用，场效应逆变器中用MOS管作功率转换元件几乎不需要信号源提供电流和功率，可大大简化电路，特别适合高频工作。有着更高的能量转换效率，拥有更低的发热特性，更长的平均无故障时间以及更高的可靠性以及更小的体积。从八十年代末开始电气工程设计师们就已经开始尝试场效应逆变器的研究，大量积聚的热量又成了设计师们新的难题。当时因为受落后的生产工艺以及理论研究水平的限制，开关元件还无法达到很高的开关速度，强行提高元件的开关频率必然将会引起开关损耗的急剧增加，影像设备的正常运行。为解决这一矛盾，各种软开关技术应运而生，工程师们期望通过对MOSFET开关性能的提升达到减少MOSFET开关损耗的目的。经过多年的研究比较后，有两种软开关技术通过了工程实践的检验，获得了市场的广泛认可其中一项是由VICOR公司开发出的的有源箝位ZVS软开关技术；另一项是在九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。另一方面，随着半导体技术在生产材料以及生产工艺上的迅猛发展，以前制约着MOSFET性能提升的诸多难题被一一攻克，功率MOSFET的性能获得了飞跃性的提升。使得当今的MOSFET的导通电阻、开关时间、以及栅极电容等参数获得了大幅的减小。如今随着微处理器在控制电路中的应用，仅需通过对逻辑电平的切换即可实现对功率MOSFET进行导通控制，使场效应逆变器较上一代晶体管逆变器有着质的飞跃。目前，微处理器已经广泛的参与输出电压调节、频率设置、脉宽调制、占空比大小的控制、降频升频控制等工作，而且微处理器的生产成本随着半导体技术的进步不断降低，这使得其应用范围变得越来越广泛，同时国内外也展开了电子元器件的热分析研究，随着计算机技术的发展和航空航天技术在军事领域的应用，电子设备及仪器热控制技术受到普遍重视，美国在七十年代就颁布了可靠性热设计手册，作为航空电子设备的强制性标准执行以色列空军在美国机载电子热分析和热测试技术的基础上加以改进和应用，并把热设计和热测试作为机载电子设备产品研发和交付过程中必不可少的一个环节；日本电气公司在九十年代中期研制的巨型计算机中就己经成功地运用了液冷技术来进行环境温度控制。目前，国外在电子设备热分析方面的技术已趋成熟，能够解决稳态和瞬态不同情况下的元器件级、板级和设备级的热分析。热设计的研究工作也在进行，一些专业热设计软件得到了广泛应用，电路板的优化布局技术也趋向成熟，一些新的测量元件和测量方法正大量涌现，如铂薄膜热电阻的步进插阻温度计和辐射测温技术等。同国外相比，我国的模块化电子设备热分析及结构设计工作起步较晚，理论基础薄弱。国内整个民用电子工业正处于发展阶段，电子设备的热分析、热设计、热测试技术的研究较少，水平较低，尚处于起步阶段。在国内民用电子行业中，电子设备研制单位存在着仅凭经验作一些初步的热设计和采取一定控制措施的误区，没有进行科学合理的热分析、热设计与热试验工作，电子产品的热设计、热控制措施缺乏科学性和合理性，因而其可靠性与国外同类产品相比有较大差距。13设计思路本毕业设计论文以6KWMOS管逆变器为研究对象，对逆变器器各部分进行损耗计算，通过热分析软件建立温度模型，通过对温度模型的分析，布置元件摆放位置及设计散热方案实现结构优化设计，提出最佳散热结构。研究内容可分为以下几点（1）用SOLIDWORKS建立各元件图形模型。运用SOLIDWORKS软件建立个元件的三维仿真图，并完成整机设计。（2）逆变器损耗分析及计算逆变器的损耗主要包括开关元件的损耗、磁性元件的损耗、电容类元件的损耗等。通过损耗分析，为下一步的研究提供理论支持。（3）热分析及模型建立通过热分析软件，根据环境、发热量、物体形状及散热方式建立温度模型，从而可以在产品装箱调试前完成对逆变器整体发热情况的了解。（4）结构优化根据仿真软件的温度模型，合理调节逆变器中各模块在机箱中的位置，选择正确的散热方式，对散热片的尺寸及形状重新设计以实现快速散热，并建立流道机箱模型，分析气流流动状况，并在不影响功能的情况下实现对机箱散热结构的优化设计。14电子设备热分析技术发展概况与发展趋势141电子设备热分析技术发展概况电子设备的热分析，又称为热模拟，是利用数学的手段在电子产品的概念设计阶段获得温度分布的方法，它可以使电子设备设计人员和可靠性设计人员在设计阶段就能发现产品的热缺陷，从而改善其设计。热分析方法主要有两类分析方法和数值方法。分析方法的难点在于对高阶偏微分方程缺乏有效的求解方法，只能求解一些简单的问题；数值方法主要有有限差分法、有限容积法、有限元法和有限分析法。近年来，国外的热分析技术的研究比较活跃，取得了很多有参考价值的成果JOSHUACILIU等人首次采用边界元法BEM计算电子封装系统的温度分布；美国ROME空军发展中心开发了计算电路板元件结点温度的个人计算机PC热分析器；JOHNNIFUNK等人提出了半解析法来预测印制板稳态温度；WILLIAMMIGODFREY等人采用解耦、叠代数值技术确定PCB板的温度分布；DAZGUANGLIU等人采用渐进波形估计概念的新技术求解温度分布；TIENZYUTOMLEE等人采用计算流体动力学CFD工具预测便携式电子产品的温度。这些成果主要解决热分析的快速性,升级热分析软件,并利用热分析软件来协助热设计，提高产品的可靠性和有效缩短产品的设计平移。随着热分析理论的逐步成熟，国外从六十年代就开始就先后开发了ANSYS、FLUENT、ICEPAK等一系列实际应用中的热分析软件。而国内由于电子工业的发展落后于国外，在电子设备热分析、热仿真方面的研究相对滞后，工程师大多是凭着某些经验进行热分析。但近年来国内相关部门也逐渐认识到了该研究对航空航天及军事方面的重要性及迫切性,有部分研究部门购买了国外电子设备热分析软件，或开发出小型软件对特定的模块进行热分析。2逆变器器机箱热分析研究21热分析的基本原理热分析研究的基本理论基础是传热学以及流体力学，其中传热学研究的是热量传递的基本形式、传热机理、传热过程的计算方法；流体力学主要研究流体（空气、流水等）的流动特性以及流体运动时的阻力计算。热量的传递过程是自然界中普遍存在的一种能量转移过程，热能的传递与其他能量如电能、动能、磁能等的转移过程相类似，都有共同的规律过程的阻力过程的动力过程中能量的转移在热传递的过程中，热能转移是所遇到的阻力被称为热阻，大小等于两点间的温差除以两点间热能的差值（41）QTRJ21由式（41）可以看出热阻越小则在同样的温差条件下，物体转移的热能也就越多，则说明此材料的散热性越好。在热量传递的过程中有三种最基本的传热方式热传导、热对流、热辐射。（1）热传导热传导是由不同温度的物体间或者同一物体内部不同温度部分进行热能交换的想象。在气体中，热传导主要通过气体分子的不规则热运动是相互间的碰撞实现；在液体中，热传递能主要依靠分子晶体振动时产生的弹性波实现；在固体中主要依靠自由电子来进行能量的交换。经研究发现热传递过程中接触面的平滑程度、接触面积以及对接触面所施加的压力大小对热传递效果均有不同影响。（2）热对流热对流是指流体与固体直接接触时相互间的换热过程，按照引起流体运动的原因可分为两种（A）有外力造成的，引流体内部压力不同产生的流动称为强迫对流；（B）由冷热两种流体密度差造成的流体运动称为自然对流。（3）热辐射温度处于绝对零度以上的物体内部都存在不断运动的电子，由于电子的振动或受到外部条件的激励，均会通过电磁波的方式向外部环境辐射能量，这种热传递方式被称为热辐射。物体以热辐射形式发射的电磁波一般被称为热射线，其拥有很宽的波长范围（01M100M）。211热分析软件ICEPAK简介ICEPAK软件由全球最优秀的计算流体力学软件提供商美国FLUENT公司研制开发，广泛的应用于通讯、汽车、航空电子设备、电源设备、通用电气以及家电等设计领域，它是一款强大的CAE（COMPUTERAIDEDENGINEERING）仿真软件，同时也是一种面向电子设备设计工程师们开发的专业电子设备热分析软件。借助ICEPAK软件，设计师们可以完成包括环境级、系统级、PCB电路板级、元件级的电气设备的热分析以及热设计，借助ICEPAK分析得到的优化结果可以大大减少设计人员的设计成本，提高产品的一次成功率，改善电子设备的性能，缩短了电子产品的上市时间ICEPAK软件主要由以下特点（1）快速的几何建模ICEPAK软件包含了箱体结构、发热模块、散热器、管道、风扇等多种电气设计所用到的基本模块方便工程设们能够快速建立设备封装模型，而不用从点、线、面开始构图。ICEPAK还允许使用者通过ZOOMIN功能将上一级模型的计算结果应用于下一级模型中，实现从系统到PCB板的层层细化研究，提高了工程师们的设计效率。（2）丰富的物理力模型ICEPAK软件可以模拟出强迫对流、自然对流以及混合对流模型；热传导以及热辐射模型；层流、湍流以及拥有多种不同介质的流体模型等（3）参数化设计在ICEPAK软件内，没有什么是不可以用参数来表示的，通过多变量参数的控制可以实现对不同工况、不同状态、不同结构的计算，使设计过程更加高效与便捷（4）网格技术ICEPAK软件能够自动的生成非结构化的网格，生成高质量的计算网格。（5）解算功能ICEPAK软件所采用的是全球最强大的CFD求解器FLUENT，应用有限体积法能够用于任何系统下的结构化或非结构化的网格计算。（6）优化设计ICEPAK通过对变量的自动优化，能够实现最优的热设计方案，通过鲁棒性算法使得的优化设计过程更加直观，拥有更快的计算速度以及更高的设计精度。（7）可视化处理ICEPAK软件可以将计算后的结果通过速度矢量图、等值面图、分布云图以及AVI、MPEG、GIF格式的动画呈现出来，使得分析结果更加的直观。212流体力学基础NS方程流体流动是受物理守恒定律支配的，流体力学的基本方程是计算流体力学的基础，在连续介质力学范畴下，流体力学的基本方程为纳维斯托克斯方程NAVIERSTOKES方程，简称NS方程，包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。222数值法求解温度场比较20世纪中叶开始的计算机技术的发展，为数值计算方法的应用提供了极大的发展空间。数值法是以离散数学、数值计算方法为基础，以计算机为工具的一种求解方法。根据求解方法的不同，数值方法主要分为有限单元法FEM，有限差分法FDM和有限体积法FVM三种。三种方法的求解思路类似，但是数学基础不同。数值法基本思路为A采用网格划分技术，将求解区域离散为各个微元体；B根据守恒定律，针对每个微元体建立微积分控制方程；C将微积分方程在时间仅针对瞬态分析和空间上进行离散；D求解方程，得到温度场分布。下面对本文采用的数值求解方法进行研究。有限体积法FVM有限体积法，又称为控制体积法CONTROLVOLUMEMETHOD，简记为CVM，可以看成是积分形式的有限差分法。有限差分法直接对偏微分方程进行离散，而有限体积法直接对积分型方程进行离散。有限体积法的基本思想是将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程，求解所建立起来的代数方程组以获取所求解变量的近似值。它的特点是积分守恒。有限体积法有以下特点（1）有限体积法的出发点是以积分的形式表示控制方程，通过特征变量表现控制容积内的守恒特性。（2）积分方程中每一项都有明确的物理定义，当方程离散时各离散项都能得到恰当的物理解释。（3）区域离散的节点网络欲进行积分的控制容积分立，各节点的控制容积互不重叠，从而能保证整个求解域中变量的守恒。因此在求解流动与热传导领域，有限体积法受到了广泛的认可，目前已经被绝大多数工程流体和热分析计算软件所采用。22逆变器热分析6KWMOS管逆变器经结构设计、零件安装、测试后进行热分析研究，以下为其结构参数及各模块功耗参数（1）机箱尺寸6KWMOS管逆变器机箱的长度为30CM，宽度为25CM，高度为45CM。（2）电路各模块功耗在6KWMOS管逆变器中，主要考虑14个MOS管的发热情况。且14个MOS管的平均损耗为25W按照设计电源温度要求根据参数设计指标要求，当环境温度为30时，逆变器机箱平均温度不得高于60。（3）电气元件温度要求由产品说明书中可以查得MOS的最高工作温度不得超过175。如不采取必要的散热措施必将导致MOS管温度过高，当超过175时就会发生P/N结击穿,就会出现MOS管烧毁事故，引起DC/DC电源发生故障。控制电路中的数字信号处理芯片的工作温度不得超过85。即电源正常工作时，主控制板所处的环境温度如果过高，将引起电路板中个集成电路芯片的正常运行。23机箱结构设计231热设计参数计算（1）有效散热面积本次设计的6KWMOS管逆变器机箱长度为025M，机箱的宽度为025M，机箱的高度为015M。根据德国VDE0660/500标准，可计算得到机箱有效散热面积（23）2E85704181MBTHA（2）机箱自然对流散热计算由于流体内部温度差的存在，导致流体内部不同的温度其密度也各不相同，在没有外部力量影响下，温度高的流体因为其密度小，就会上升；而温度低的那部分流体由于其密度相对大些，就会下降，因为密度的不同而引起的流体内部流动的现象称为自然对流现象，由自然对流产生的传热现象被称为自然对流传热现象。自然对流传热量可通过式（24）计算（24）TAHQEC1其中为对流散热量（W）；为换热系数（）；为有效散热1Q/2MWEA面积（）；为换热表面与流体温差（）。2MT本次设；自然空气换热系数5；。由0CH/228570ME式44计算可得自然对流传热量。WQ431（4）机箱本身自然辐射散热计算热辐射使物体通过电磁辐射的形式将热能向外散发，这是一种非接触式的传热散热方式，在真空中也能进行散热。任何物体在发出辐射的同时也可以不断地吸收周围物体的辐射能，物体的辐射能力级单位时间内由物体表面向外辐射的能量随温度的升高而大幅增加。通过式（45）可计算辐射散热量（25）4212TAQ其中为辐射散热量（W）；为材料辐射率（W/），也称为黑度；2Q2M为斯蒂芬波尔兹曼常数；T1及T2分别为材料表面温428/0675K度及环境温度。设材料表面的绝对温度为328K，环境温度为318K，机箱材料为铁质喷黑漆，材料辐射率，由式（25）计算得辐射散热量。42/80KMWQ6952（5）通过式（26）可以计算出自然散热情况下，时，机箱所需的开10T孔面积（26）42/51031THQS其中Q为机箱内部热源总和Q14X25350W，机箱高度H045M，则为使机箱温度下降10需开孔面积为234，这远远超出了机箱的表面积，因此M简单的采用自然散热是无法达到设计要求的温度。再考虑到机箱内部有多个热源模块，其机箱内部的功率分布也是不均匀的，这必然要求采取一定的散热方式来加快机箱内部热能向外的传导速度，提高散热的效率。232散热方案选择计算表明通过自然散热的方式是根本无法解决该高功率密度的电力电子设备的散热问题的，经过研究发现当电子设备的热流密度达到以上，2/08CMW或者体积功率密度达到以上时，不管是自然热对流还是是热辐射都3/180CMW是无法满足设备的散热问题了，此时设计师通常采用强迫对流的方式即加快空气流通速率以达到将设备内部热能快速按转移出去的目的，在有限体积有限而发热量巨大的设备中如电子负载或热交换器中，设计者们甚至采用液冷的方式强制排出设备内部积聚的热能。如图21所示为在不同热流密度时设备所需采用的散热方式。（1）风扇风量计算强迫对流散热即是使用外力从而加快空气的流速，加快机箱内外热能得交换的速率，通常设计师们最常用的即通过风扇来进行强迫对流。图21散热方式选择强迫对流所需的风量Q可通过式（27）计算得出（27）/TCP（47）中为空气比热，当环境温度为30时，；空PCKGJP/051气密度；出风口与环境温差；可计算出DC/DC变换器3/091MKG30T机箱采用强迫散热方式时所需风量SMCP/0191533（2）风道结构设计风道即是指空气在机箱内部的流动轨迹，没有好的风道设计，任凭大排量散热风扇如何旋转，机箱内部也总是会存在气流的死角，使热量大量积聚在机箱内部的特定的位置从而无法有效的排出。同时不合理的风道还会造成灰尘、粉尘等在机箱内部大量积聚，不光是会严重影响散热结果热切严重时还会影响内部电气元件的正常运行。合理的风道设计讲究在强制对流风扇的的作用下，形成流畅、无障碍的气流通道，使冷空气从机箱的一侧的散热开口处进入，有另一侧经风扇排除，在空气流动的过程中热能的传递与交换带走机箱内部电气元件正常工作中产生的热量，从而达到散热的目的。常用的散热风道设计有吹风式散热风道以及抽风式散热风道两种（A）吹风式风道图22吹风式风道吹风型散热如图22所示，吹风式风道可以产生很集中的风量，在特定的位置还能够产生很大的风压，特别适用于热量分布不均匀，尤其是需要对发热量很大的元件或专门区域进行重点散热的场合。但是吹风式风道存在系统的风速分布不均匀的问题，所以容易易出现气流死角，如果不进行合理的风道设计就容易出现局部回流区或低速区，反而会加重某些区域的发热状况。（B）抽风式风道图23抽风式风道抽风式散热方式如图23所示，抽风式风道产生的风速分布比较均匀，在机箱内部各个角落的元器件均能被气流流过，受到散热效果，因此在内部结构复杂，气流因受到的大阻力造成气流流动不畅情况的设备中，抽风式风道获得了广泛的应用。但是由于抽风式风道内部气流比较平缓，在恶劣的工作环境中无法迅速排除灰尘等杂物，易产生尘埃积聚的现象。散热风道的设计过程中需要考虑风扇风量、风压、气流流速、系统阻尼特性、应用环境条件、设计噪音要求、电磁干扰特性等多种因素来选择风扇型号以及风道形状，在实际的设计中，通过ICEPAK热仿真软件通过不同散热风道的比较，选择最适合于本次设计的风道模型。24本章小结本章介绍了热分析的理论基础为传热学，流体力学以及能量守恒定律以及常用的热分析计算方法；介绍了ICEPAK软件的工作原理，以及其相对设计上常用的几种热分析软件所具有的优点。同时在本章节中初步的通过理论计算得出自然冷却散热方法是无法应用于大功率密度的电力电子变换装置中的，欲达到设计要求的散热标准必须采用强制散热方法对设备内热源进行散热。通过对风量大小计算、吹风方式选择、风道形状计算以及热源布置位置等，实现对逆变器机箱的散热设计。36KWMOS管逆变器机箱热仿真分析31热仿真试验通过对机箱的内部主要发热元件、散热元件以及结构的参数的设定运用ICEPAK软件根据设定参数进行热仿真分析从而得到温度分布云图。通过在热仿真过程中对各种结构及设计参数的改变，从而可以确定各种参数的变化对机箱的散热的效果的影响。通过比较不同散热方式带来的效果并且调节散热结构可对原定机箱设计的结构进行散热优化，并通过ICEPAK热分析软件进行仿真，证明热分析在电力电子产品设计中的重要性。（1）机箱内部结构设计通过ICEPAK软件建立的机箱内部结构的模型如图31所示图31机箱机构设计（A）环境参数的设定（B）表31系统边界参数的设定边界条件参数设定环境温度30换热系数KMW/52重力方向Y轴方向求解类型对流与传导湍流模型湍流模型K（C）机箱的体积及箱体的材料参数设定设定机箱体积参数长为25CM，宽为30CM，高为15CM；机箱壁所用的材料为厚度1MM，导热系数为75的灰色铁皮；设定机箱的六块KMW/壁板的参数。（D）散热器参数的设定设定所用的散热器的具体参数，散热器的长为17CM，宽为3CM，高为10CM；散热器背板厚度为5MM，每个散热器有10片散热翅片，其厚度为1MM，散热器的材质为铝制，导热系数为237W/MK。（E）功率MOSFET的参数设定设计采用的是IPP110N20NA型的功率MOSFET长为95MM，宽为91MM，厚度为45MM，在参数设定中为方便计算设定其长宽都为10MMMOS管功率为25W。（F）风扇参数的设定设计采用2个风量为002KG/S的风扇，其直径为6CM。（2）生成网格图32系统网格模型网格划分是热仿真工程中的重要步骤，ICEPAK热分析软件通过有限体积法进行迭代计算每个网格中的温度或气体流速从而生成温度分布云图。首先，通过GENERATEMESH选项设置粗网格参数，通过网格检查标准判断划分的网格是否符合仿真要求（1）两实体面间的网格至少为两个；（2）每个流体对象最少应包括56个网格单元。通过CUTPLANE中SETPOSITIONPOINTANDNORMAL选项建立平面检查网格划定状况。其次，通过OBJECTPARAMS选项分别细化机箱中各模块周围网格，从而使最终计算结果更为精确。系统网格最终划分结果如图32所示，可以看出网格在散热片，功率MOSFET管以及风扇周围的划分更为密集。（3）求解计算经过对气流参数检查并在BASICPARAMETERS中激活湍流模型，通过RUNSOLUTION选项计算散热结果是否收敛，如图33所示为计算后所得的残差曲线，在复杂系统的仿真计算中，求解速度取决于所用电脑的性能。图33残差曲线由残差曲线可以看出除CONTINUITY曲线外，其他曲线都在附近102103收敛，可以认为系统收敛。（4）检查仿真运行结果如图34所示为ICEPAK热仿真软件对功率管管以及散热模块周围温度分布云图在XZ、YZ、XY三个方向截面上温度的分布。（A）YZ截面温度分布（B）XZ截面温度分布（C）XY截面温度分布图34热仿真温度分布云图通过对图34的分析可以得到以下结论（1）主开关管由于功耗大因而温度相对来说要略高一些，当环境温度在20时，MOSFET温度稳定在70左右。（2）由于机箱内部结构导致风道结构复杂，气体流动受内部结构影响造成散热不畅。（3）如图35气体流速分布图所示，出风口附近气流流速并不高，无法实现快速散热效果，因而以附近MOS管温度是整个机箱中最高的。（A）保护MOS管附近气体流速（B）YZ截面气体流速图35气体流速分布图ICEPAK热仿真结果，我们可以看出当前设计存在诸多缺陷，需对机箱散热结构进行优化设计。32设计参数对散热结果影响要想实现对散热结构的优化分析及，就要充分了解了解机箱内部各种参数对散热结果的影响，包括散热方式的选择、风道结构的设计、散热片参数的设定、各模块的摆放位置等。321散热方式对散热结果的影响在第四章中通过计算论证了在大功率的机箱设计中，自然散热方法已经远远不能满足散热要求。通过热仿真软件可证明此计算结果。自然散热,即令强制散热风扇输入风量为0，其温度分布如图57所示图37自然散热温度分布云图从温度分布云图可以看出，采用自然散热方法机箱内部的最高温度达到了1208，平均温度达到83，不能满足设计要求。322散热片参数对散热结果的影响XYZNDL1D1L图38散热器结构如图58所示为常用散热片结构，其设计参数主要包括散热片翅数量N，散热翅片厚度D1，散热翅片高度L，散热底座厚度D，本节将通过ICEPAK热仿真软件对各参数对散热结果的影响进行分析。（1）散热片数N对散热结果影响设置散热翅片数N为410片，每片厚度为1MM，通过热仿真检测在吹风式风道中机箱内最高温度、平均温度、散热片平均温度，从而研究散热翅片数量对散热结果的影响。表32散热片熟数量与温度关系表散热翅片数机箱最高温度机箱平均温度散热底板温度49168933088172675854605303806685678038630273980477700093017335028705427301669707970345330067278210626722291605868散热片数量并不是越多其散热效果越好。受流体力学的影响，散热片数量过多将导致散热片的间距过于狭窄，导致散热片间的气流的流速无法提高；同时随着散热片数量增加，其截面积相应扩大，其对气流的阻碍作用随之增加，影响了散热效果。由热仿真结果可以看出对于本次设计使用的宽L3CM的散热片来说，10枚散热翅片能起到最好的散热效果。2）散热片厚度D1对散热结果影响设置10枚散热翅片，散热片厚度D1从05MM15MM变化，通过热仿真检测在吹风式风道下机箱内最高温度、平均温度、散热片平均温度，从而研究散热器底座厚度对散热结果的影响。表33散热片翅片厚度与温度关系表散热片厚度MM机箱最高温度机箱平均温度散热底板温度056251792865844900656231282885986000862316128859868616474963026234801262901229661295615621141305608836（3）散热器底座厚度D对散热结果影响设置10枚厚度为08MM，宽度3CM，长度17CM散热翅片，通过改变散热器底板厚度从1MM5MM变化，通过热仿真检测在吹风式风道下机箱内最高温度、平均温度、散热片平均温度，从而研究散热器底座厚度对散热结果的影响。表34散热底板厚度与温度关系表基板厚度MM机箱最高温度机箱平均温度散热底板温度18718402927680712756668289685671367366929164241146440962936034525623161288598686323风道结构对散热结果的影响（1）吹风式风道散热模型如图39所示为采用吹风式机箱的简单模型，有温度云图可以看出，虽然主开关管功耗以及同步整流管功耗都远大于保护电路MOS管功耗，由于主电路距离风扇距离较近，器件表面气流流速大，因而能够受到良好的散热，器件表面温度为4050；而保护电路处于风道末尾，此位置因远离风扇，气流流速已大大降低无法实现很好的散热效果，器件表面温度达到5060。机箱不同位置气图39吹风式风道温度云图（2）抽风式风道散热模型抽风式风道温度云图如图310所示。通过分布云图可以看出抽风式风道在机箱内产生的气流速度远远小于吹风式风道，因而热能大量积聚在机箱内部，造成散热不畅，机箱内平均温度远远高于吹风式风道图310抽分式风道温度云图（3）混合式风道散热模型混合式风道采用两风扇“前吹后拉”的方式实现，通过热仿真得到其机箱温度分布云图如图311所示。图311混合式风道温度云图通过前后两个风扇前来后推的方式，大大加快了机箱内部气流的流速，使机箱前后的的风速始终保持在一相当的高