Icepak在开关电源热设计中的应用

2014-3-14 18:38| 发布者: chenl| 查看: 6271| 评论: 0|来自: 上海新华电子设备有限公司

摘要: 在开关电源中电子元器件在工作时会耗散大量热量，为保证元器件和电源的热可靠性热分析和热控制必不可少。Icepak是目前较流行的专业的、面向工程师的电子产品热分析软件之一，利用它，可大大减少计算量，缩短研制周期，降低成本。本文较详细地介绍了利用Icepak进行开关电源热设计仿真的过程,并对计算结果进行分析、比较，得到最优化设计。

邱刚马骏钱飞龙

上海新华电子设备有限公司

摘要：在开关电源中电子元器件在工作时会耗散大量热量，为保证元器件和电源的热可靠性热分析和热控制必不可少。Icepak是目前较流行的专业的、面向工程师的电子产品热分析软件之一，利用它，可大大减少计算量，缩短研制周期，降低成本。本文较详细地介绍了利用Icepak进行开关电源热设计仿真的过程,并对计算结果进行分析、比较，得到最优化设计。

关键词：开关电源热设计 Icepak软件

1 引言

目前，开关电源已普遍应用在各类电子设备上，其单位功率密度也在不断提高。高功率密度的定义从1991年的25W/in3。、1994年36 W/in3、1999年52 W/in3，到2001年的96 W/in3，目前已高达数百瓦每立方英寸。由于开关电源中使用了大量的大功率半导体器件如整流桥堆、大电流整流管、大功率三极管或场效应管等器件。这些器件工作时会产生大量的热量，如果不能把这些热量及时地排出并使之处于一个合理的水平，将会影响开关电源的正常工作，严重时会损坏开关电源。为提高开关电源工作的可靠性，热设计在开关电源设计中是一个必不可少的重要环节。实际工作中，合理利用热分析软件进行热设计，可提高产品一次成功率，缩短研制周期，降低成本。Icepak是目前较流行的专业的、面向工程师的电子产品热分析软件之一，广泛应用于通讯、汽车及航空电子设备、电源设备、通用电器及家电等行业。利用它，可以大大减小开关电源热设计的难度，缩短研制周期，降低成本。

2 Icepak软件功能及特点简介

Icepak 是强大的 CAE 仿真软件工具，它能够对电子产品的传热，流动进行模拟，从而提高产品的质量，大量缩短产品的上市时间。 Icepak 能够计算系统级（Systems）、组件级（Components）、封装级（Packages）的问题。Icepak 采用的是FLUENT计算流体动力学(CFD) 求解引擎。该求解器能够完成灵活的网格划分，能够利用非结构化网格求解复杂几何问题。多点离散求解算法能够加速求解时间。

该软件有如下技术特点：

(1) 建模快速：利用各种形状的几何模型与现成的模型库可以方便的建立所求解问题的模型。具有MCAD、ECAD/IDF直接输入接口。

(2) 具有自动化的非结构化网格生成能力，可以逼近各种复杂的几何形状，大大减少网格数目，提高模型精度。同时还支持结构化和非结构化的不连续网格，可在不降低模型精度情况下减少网格数量以提高计算速度。

(3) 广泛的模型能力：涵盖强迫对流、自然对流和混合对流模型、热传导模型、流体与固体之间的耦合传热模型、物体表面间的热辐射模型。另外，还可以模拟层流、紊流瞬态及稳态问题、多种流体介质问题。

(4) 强大的解算功能：具有强大的CFD（计算流体力学）、有限体积方法（Finite Volume Method）结构化与非结构化网格的求解器，并行算法，能够实现UNIX或NT的网格并行。

(5) 强大的可视化后置处理：分析结果可以通过视图的形式输出，包括速度矢量图、等值面图、粒子轨迹图、网格图、切面云图、点示踪图等非常直观。

Icepak软件的具体使用步骤包括建模、加载初始条件、划分网格、检查气流、求解计算、检查分析结果等等。

3 开关电源设计及仿真过程

下面给出了一个用Icepak软件实现上海新华电子设备有限公司开发的XPR125-A-5型AC-DC开关电源热设计的过程。

3.1 问题描述

该125W开关电源拓扑结构采用正激变换器电路，主要发热元器件包括：整流桥堆、升压电感、场效应管、大电流整流管以及变压器等。散热方式采用散热片自然风冷，散热片材料为铸铝磨砂。

在整个电源中，由于发热元件很多，总的发热功率很高，元件容许的最高温度为85℃的情况下，电源中的温度有可能会超过元器件的极限温度。使用ICEPAK软件可以在没有实际样机的情况下仿真模拟电源中各个元件的发热情况，找到危险点。同时，还可以根据初步的计算结果，通过该软件适当调整计算模型的结构，提高电源的散热性能，使整个电源中的元件温度能控制在容许温度之内。

3.2 建模

首先根据该款电源的设计要求设置环境温度并将散热方式设置为自然风冷。然后对电源主要发热元器件进行建模。开关电源中发热元件的布局的基本要求是按发热程度的大小，由小到大排列，发热量越小的器件越安排在开关电源风道风向的上风处。利用Icepak软件现有模型库中cabinet/block/plate/source/等命令，分别设定计算域/发热元器件/热源的各自轮廓及定位尺寸、特性等参数，建立Icepak模型，其中热源（source）只加在整流桥堆、大电流整流管、场效应管等器件上，滤波电感和其他元器件因耗散热较小，对热分析影响不大，为简化模型加快计算速度，不再建立这些器件的模型。

图1 开关电源Icepak模型

如图1所示,创建5个紧贴在交流端散热片上的热源以模拟电源交流端的发热元件：一个整流桥、两个场效应管、一个大电流整流二极管。升压电感由实心的圆柱体内嵌热源模拟（圆柱体：高10mm , 底面半径20mm）。电源变压器采用边长为30mm的实心正方体内嵌热源模拟电容采用空心圆柱体内嵌热源模拟。创建2个紧贴在直流端散热片上的热源以模拟两个大电流整流管的发热情况。

在电源模型建立的同时需要对模型加载初始条件和边界条件，主要有：① 气流：稳态、紊流；②流体：空气；③固体（散热片）：铝型材；④加入辐射、重力影响；⑤ 环境空气温度：25℃；⑥元器件耗散热约1-5W。其中，通过ICEPAK软件自动计算得到的普朗特数和雷利数可以确定流体类型为紊流。

图2 电源Icepak模型网格划分

3.3 网格划分

在该电源模型中无特殊形状（如曲面等），采用Nomal命令直接建立结构化网格即可达到要求。设置完成后，执行“generate mesh”（生成网格）命令，软件提示生成NODES 的数量为64336，HEXAS的数量为60399，QUADS的数量为17237。电源模型在Y-Z平面通过点(0.0175, 0, 0)显示的网格划分如图2所示。

3.4 求解计算

图3 参差曲线

Icepak利用Fluent求解器进行迭代计算，执行“Run Solution”命令，迭代次数到100次时，残差收敛曲线已完全收敛，说明计算完成，如图3。一般情况下只要在迭代过程中发现连续性方程、动量方程及能量方程中有一个方程发散，就需要终止迭代然后重新检查模型及网格划分，同时调整松弛因子直至迭代收敛。

3.5 结果检查

迭代收敛后，通过后处理中的object face功能可以显示整个模型的温度分布云图，如图4所示。根据温度分布图显示，在环境温度为25℃的情况下升压电感和场效应管的温度超出了设计的容许温度——85℃。此时，必须调整电源的结构以改善其散热性能。

图4 电源Icepak模型的温度分布云图

3.6 方案改进

从温度分布云图上看到，电源交流端散热片的散热效果并不理想。而且，根据实际情况，电源的基本结构不能做尺寸调整。考虑到散热片由于散热面积较小，故散热性能并不好，因此，可以通过加大电源上端的散热片面积以达到加大散效果的作用。计算表明，在加大散热片面积后，电源内部高热已得到改善，温度梯度分布均匀，此时电源中的最高温度下降为74.3℃，电源中各元器件的最高温都已在指标要求范围内。可见，该结构调整能有效地降低元件的温度，大大增强了电源的整体散热性能，此时计算模型以及其温度分布图如图5所示。