學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名年月日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關(guān)學位論文管理部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級優(yōu)秀學士論文評選機構(gòu)將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于1、保密囗，在10年解密后適用本授權(quán)書2、不保密囗。（請在以上相應方框內(nèi)打“”）作者簽名年月日導師簽名年月日武漢理工大學本科生畢業(yè)設(shè)計論文任務書畢業(yè)設(shè)計論文題目電源機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化（一）設(shè)計（論文）主要內(nèi)容利用SOLIDWORKS等軟件對一款逆變器機箱結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，要求美觀緊湊。該逆變器參數(shù)為輸入電壓為350V直流電，輸出電壓為220V單相交流電，功率為6KW，采用基于MOS管的技術(shù)。并利用溫度分析軟件分析在該架構(gòu)下的溫度分布情況，最后對結(jié)構(gòu)進行散熱方面的優(yōu)化設(shè)計。（二）完成的主要任務及要求1、用SOLIDWORKS建立各元件圖形模型。2、用SOLIDWORKS完成整機設(shè)計。3、用溫度分析軟件對該架構(gòu)溫度分布情況進行分析，并進行散熱設(shè)計。4、讀本人研究生者優(yōu)先選擇。（三）完成任務的時間節(jié)點第1周，選題；第2周，下載任務書，查閱相關(guān)文獻資料，明確研究目標，了解研究所需數(shù)據(jù)資料的收集方式與分析工具的使用；第3周，確定研究內(nèi)容，開始外文資料的翻譯，完成開題報告；第4周，開題報告審查；第56周，中期檢查，進行研究內(nèi)容的數(shù)據(jù)收集、理論分析與設(shè)計；第79周完成論文相關(guān)研究工作；第10周，完成畢業(yè)論文的初稿；第1112周，修改畢業(yè)論文，上傳畢業(yè)論文；第1314周，修改論文，提出答辯申請，準備論文答辯；第15周，畢業(yè)論文答辯；第16周，整理畢業(yè)論文上交。（四）必讀參考文獻1劉兵ICEPAK軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計中的應用電腦知識與技術(shù)201305115111652閻兆軍電子機箱熱分析建模與仿真技術(shù)研究西安西安電子科技大學2010013陳捷愷6KWDC/DC變換器熱分析及散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化武漢武漢理工大學2014054朱敏波趙淳殳王世萍電子設(shè)備機箱熱分析軟件設(shè)計與實現(xiàn)計算機輔助工程1997026064指導教師簽名年月日系主任簽名年月日院長簽名章年月日論文開題報告1、目的及意義對于基于MOS管的的大功率逆變器，溫度是保證其工作可靠性的決定因素之一，因此，對逆變器機箱進行熱分析并對結(jié)構(gòu)進行是進行優(yōu)化設(shè)計是MOS管逆變器設(shè)計不可或缺的環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計，55以上電子設(shè)備損壞失效都是因為冷卻系統(tǒng)設(shè)計不良所致。其失效率隨著溫度的升高呈指數(shù)增長趨勢，甚至有的器件環(huán)境溫度每升高10，失效率增大1倍以上。尤其是場效應逆變器中的功率器件，會產(chǎn)生大量的熱量，若不及時排除，將引起電子電路板的熱流密度過高，影響電路的可靠性和壽命。電源電路內(nèi)部的溫升超過極限值時，將導致元器件失效。所以，對逆變器機箱進行熱設(shè)計和熱分析，在產(chǎn)品的整個過程中有著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的熱設(shè)計通常是根據(jù)經(jīng)驗，或應用有限的換熱公式進行預先估計，生產(chǎn)出成品后，再通過實驗來檢驗。產(chǎn)品若不能滿足要求，就要經(jīng)歷修改、再設(shè)計、再生產(chǎn)、再檢驗。顯然，這種傳統(tǒng)的熱設(shè)計方法已不能滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求。因此，在產(chǎn)品設(shè)計階段對其進行有效的熱仿真是非常必要的。熱分析軟件能夠比較真實地模擬系統(tǒng)的熱分布狀況，能夠在產(chǎn)品設(shè)計階段對其進行熱仿真，確定模型中的溫度最高點。通過對模型進行修改或采取必要的散熱措施，消除其熱問題，使其最高溫度在允許的溫度范圍內(nèi)，達到設(shè)計要求。設(shè)計師必須對熱設(shè)計進行深入的分析和研究，才能更好地解決產(chǎn)品設(shè)計中的問題。熱設(shè)計的目的就是要改進其結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料的選擇，尋求最佳的導熱材料與散熱結(jié)構(gòu)，使整個逆變器中產(chǎn)生的熱量盡可能快速傳輸且散發(fā)到周圍環(huán)境中去，有效控制溫度以滿足系統(tǒng)可靠性的要求。熱控制方案的選擇對其可靠性和成本都有深遠的影響，優(yōu)良的熱控制技術(shù)可以保證電源模塊維持良好的工作性能和延長使用壽命?？梢娡ㄟ^對損耗的分析計算得到數(shù)據(jù)參數(shù)，建立電路各模塊溫度模型。通過對熱分析軟件的運用，合理布置散熱器件，設(shè)計散熱通道，選擇散熱方式，從而確定優(yōu)化方案，可以達到降低成本和提高性能的目的，意義巨大。2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及電力電子設(shè)備的廣泛普及，場效應逆變器在通信、軍事、航天、衛(wèi)星、運輸、航海方面獲得了越來越多的應用，場效應逆變器中用MOS管作功率轉(zhuǎn)換元件幾乎不需要信號源提供電流和功率，可大大簡化電路，特別適合高頻工作。有著更高的能量轉(zhuǎn)換效率，擁有更低的發(fā)熱特性，更長的平均無故障時間以及更高的可靠性以及更小的體積。從八十年代末開始電氣工程設(shè)計師們就已經(jīng)開始嘗試場效應逆變器的研究，大量積聚的熱量又成了設(shè)計師們新的難題。當時因為受落后的生產(chǎn)工藝以及理論研究水平的限制，開關(guān)元件還無法達到很高的開關(guān)速度，強行提高元件的開關(guān)頻率必然將會引起開關(guān)損耗的急劇增加，影像設(shè)備的正常運行。為解決這一矛盾，各種軟開關(guān)技術(shù)應運而生，工程師們期望通過對MOSFET開關(guān)性能的提升達到減少MOSFET開關(guān)損耗的目的。經(jīng)過多年的研究比較后，有兩種軟開關(guān)技術(shù)通過了工程實踐的檢驗，獲得了市場的廣泛認可其中一項是由VICOR公司開發(fā)出的的有源箝位ZVS軟開關(guān)技術(shù)；另一項是在九十年代初誕生的全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)。另一方面，隨著半導體技術(shù)在生產(chǎn)材料以及生產(chǎn)工藝上的迅猛發(fā)展，以前制約著MOSFET性能提升的諸多難題被一一攻克，功率MOSFET的性能獲得了飛躍性的提升。使得當今的MOSFET的導通電阻、開關(guān)時間、以及柵極電容等參數(shù)獲得了大幅的減小。如今隨著微處理器在控制電路中的應用，僅需通過對邏輯電平的切換即可實現(xiàn)對功率MOSFET進行導通控制，使場效應逆變器較上一代晶體管逆變器有著質(zhì)的飛躍。目前，微處理器已經(jīng)廣泛的參與輸出電壓調(diào)節(jié)、頻率設(shè)置、脈寬調(diào)制、占空比大小的控制、降頻升頻控制等工作，而且微處理器的生產(chǎn)成本隨著半導體技術(shù)的進步不斷降低，這使得其應用范圍變得越來越廣泛同時國內(nèi)外也展開了電子元器件的熱分析研究，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和航空航天技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應用，電子設(shè)備及儀器熱控制技術(shù)受到普遍重視，美國在七十年代就頒布了可靠性熱設(shè)計手冊，作為航空電子設(shè)備的強制性標準執(zhí)行以色列空軍在美國機載電子熱分析和熱測試技術(shù)的基礎(chǔ)上加以改進和應用，并把熱設(shè)計和熱測試作為機載電子設(shè)備產(chǎn)品研發(fā)和交付過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)；日本電氣公司在九十年代中期研制的巨型計算機中就己經(jīng)成功地運用了液冷技術(shù)來進行環(huán)境溫度控制。目前，國外在電子設(shè)備熱分析方面的技術(shù)已趨成熟，能夠解決穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)不同情況下的元器件級、板級和設(shè)備級的熱分析。熱設(shè)計的研究工作也在進行，一些專業(yè)熱設(shè)計軟件得到了廣泛應用，電路板的優(yōu)化布局技術(shù)也趨向成熟，一些新的測量元件和測量方法正大量涌現(xiàn)，如鉑薄膜熱電阻的步進插阻溫度計和輻射測溫技術(shù)等。同國外相比，我國的模塊化電子設(shè)備熱分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計工作起步較晚，理論基礎(chǔ)薄弱。國內(nèi)整個民用電子工業(yè)正處于發(fā)展階段，電子設(shè)備的熱分析、熱設(shè)計、熱測試技術(shù)的研究較少，水平較低，尚處于起步階段。在國內(nèi)民用電子行業(yè)中，電子設(shè)備研制單位存在著僅憑經(jīng)驗作一些初步的熱設(shè)計和采取一定控制措施的誤區(qū)，沒有進行科學合理的熱分析、熱設(shè)計與熱試驗工作，電子產(chǎn)品的熱設(shè)計、熱控制措施缺乏科學性和合理性，因而其可靠性與國外同類產(chǎn)品相比有較大差距。3研究內(nèi)容和技術(shù)路線31研究內(nèi)容本畢業(yè)設(shè)計論文以6KWMOS管逆變器為研究對象，對逆變器器各部分進行損耗計算，通過熱分析軟件建立溫度模型，通過對溫度模型的分析，布置元件擺放位置及設(shè)計散熱方案實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提出最佳散熱結(jié)構(gòu)。研究內(nèi)容可分為以下幾點（1）用SOLIDWORKS建立各元件圖形模型。運用SOLIDWORKS軟件建立個元件的三維仿真圖，并完成整機設(shè)計。（2）逆變器損耗分析及計算逆變器的損耗主要包括開關(guān)元件的損耗、磁性元件的損耗、電容類元件的損耗等。通過損耗分析，為下一步的研究提供理論支持。（3）熱分析及模型建立通過熱分析軟件，根據(jù)環(huán)境、發(fā)熱量、物體形狀及散熱方式建立溫度模型，從而可以在產(chǎn)品裝箱調(diào)試前完成對逆變器整體發(fā)熱情況的了解。（4）結(jié)構(gòu)優(yōu)化根據(jù)仿真軟件的溫度模型，合理調(diào)節(jié)逆變器中各模塊在機箱中的位置，選擇正確的散熱方式，對散熱片的尺寸及形狀重新設(shè)計以實現(xiàn)快速散熱，并建立流道機箱模型，分析氣流流動狀況，并在不影響功能的情況下實現(xiàn)對機箱散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。32技術(shù)路線（1）劃分MOS管逆變器各模塊，確定熱源（2）查詢模塊中各個元件的型號和材料特性（3）計算各發(fā)熱模塊的損耗（4）在熱分析軟件中加載必要的設(shè)計數(shù)據(jù)（5）建立溫度模型（6）合理設(shè)計布局及散熱通道，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計相關(guān)資料查詢逆變器設(shè)計損耗分析與計算熱分析與建模散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計MOS管逆變器熱分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化3、進度安排第1周，選題；第2周，下載任務書，查閱相關(guān)文獻資料，明確研究目標，了解研究所需數(shù)據(jù)資料的收集方式與分析工具的使用；第3周，確定研究內(nèi)容，開始外文資料的翻譯，完成開題報告；第4周，開題報告審查；第56周，中期檢查，進行研究內(nèi)容的數(shù)據(jù)收集、理論分析與設(shè)計；第79周完成論文相關(guān)研究工作；第10周，完成畢業(yè)論文的初稿；第1112周，修改畢業(yè)論文，上傳畢業(yè)論文；第1314周，修改論文，提出答辯申請，準備論文答辯；第15周，畢業(yè)論文答辯；第16周，整理畢業(yè)論文上交。4、參考文獻5劉兵ICEPAK軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計中的應用電腦知識與技術(shù)201305115111656閻兆軍電子機箱熱分析建模與仿真技術(shù)研究西安西安電子科技大學2010017陳捷愷6KWDC/DC變換器熱分析及散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化武漢武漢理工大學2014058朱敏波趙淳殳王世萍電子設(shè)備機箱熱分析軟件設(shè)計與實現(xiàn)計算機輔助工程19970260649蘇世明，李偉電子設(shè)備機箱散熱仿真分析光電技術(shù)應用201303646710王萌高密度密閉電子設(shè)備熱設(shè)計及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化西安西安電子科技大學20070111周敏，吳淑泉電子設(shè)備強迫風冷設(shè)計的計算機仿真計算機工程20030917117212劉玉綿基于ICEPAK軟件的電子設(shè)備機箱的優(yōu)化設(shè)計信息科技201220520613周峮密閉式電子設(shè)備熱分析方法仿真研究計算機仿真20121141641914余運江單相光伏并網(wǎng)逆變器的研究杭州浙江大學20085、指導教師意見指導教師簽名年月日目錄摘要1ABSTRACT21緒論311研究的目的及意義312國內(nèi)外研究現(xiàn)狀413設(shè)計思路514電子設(shè)備熱分析技術(shù)發(fā)展概況與發(fā)展趨勢6141電子設(shè)備熱分析技術(shù)發(fā)展概況62逆變器器機箱熱分析研究721熱分析的基本原理7211熱分析軟件ICEPAK簡介8212流體力學基礎(chǔ)NS方程8222數(shù)值法求解溫度場比較922逆變器熱分析1023機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計10231熱設(shè)計參數(shù)計算10232散熱方案選擇1224本章小結(jié)1336KWMOS管逆變器機箱熱仿真分析1531熱仿真試驗1532設(shè)計參數(shù)對散熱結(jié)果影響20321散熱方式對散熱結(jié)果的影響20322散熱片參數(shù)對散熱結(jié)果的影響21323風道結(jié)構(gòu)對散熱結(jié)果的影響23324熱源布置對散熱結(jié)構(gòu)的影響2433功率管逆變器優(yōu)化方案確定2534本章小結(jié)294電源機箱三維設(shè)計3041電源機箱設(shè)計理念30411實施方案及擬采取的研究方法和技術(shù)路線31412可行性分析3242光伏電源設(shè)計思路3242148V逆變器主要板塊設(shè)計3343本章小結(jié)37總結(jié)及展望386參考文獻39致謝40摘要國際上，全球著名公司XANTREX的SUNTIEXR系列并網(wǎng)控制器帶來了光伏市場格局的重大變化，其根據(jù)光伏市場需要推出的產(chǎn)品系列覆蓋了中、大功率范圍，也可將多臺中功率的控制器并聯(lián)構(gòu)成系統(tǒng)，而且控制器中也集成了最大功率跟中環(huán)節(jié)。同時，這帶動了我國光伏發(fā)電方面的發(fā)展，我國政府出臺了一些列的政策，如金太陽示范工程財政補助資金管理暫行辦法以及關(guān)于做好分布式電源并網(wǎng)服務工作的意見等，為光伏發(fā)電的發(fā)展提供了有力支撐。本論文以家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計為核心，根據(jù)光生伏特效應原理，利用太陽電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，可直接作為電源驅(qū)動負荷，亦可切換到外部三相電網(wǎng)，實現(xiàn)小型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運行。繪制出電源機箱的三維模型并對其進行熱穩(wěn)定分析。關(guān)鍵詞電源機箱SOLIDWORKS溫度分析ICEPAKABSTRACTINTERNATIONALLY,THEWORLDFAMOUSCOMPANYXANTREXSUNTIEXRSERIESGRIDCONTROLLERBROUGHTAMAJORCHANGEINTHEPHOTOVOLTAICMARKETPATTERN,ITSACCORDINGTOTHEREQUIREMENTSOFTHEPHOTOVOLTAICMARKETLAUNCHOFTHEPRODUCTLINECOVERSARANGEOFMEDIUMANDHIGHPOWER,ALSOCANBEMORETAIZHONGPOWERCONTROLLERINPARALLELSTRUCTUREOFSYSTEM,ANDTHECONTROLLERISINTEGRATEDWITHTHEMAXIMUMPOWERATTHESAMETIME,ITLEDTOTHEDEVELOPMENTOFPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONINCHINA,OURGOVERNMENTHASISSUEDASERIESOFPOLICIES,SUCHAS“GOLDSUNDEMONSTRATIONPROJECTFINANCIALAIDFUNDSMANAGEMENTINTERIMMEASURES“AND“ABOUTTHEOPINIONSOFTHEDISTRIBUTEDPOWERGRIDSERVICEWORK,ETC,PROVIDEDSTRONGSUPPORTFORTHEDEVELOPMENTOFPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONINTHISPAPERTHEDESIGNOFHOUSEHOLDSOLARPOWERGENERATIONSYSTEMASTHECORE,ACCORDINGTOTHEPRINCIPLEOFLIGHTBORNVEFFECT,USINGSOLARCELLSCONVERTSOLARENERGYDIRECTLYTOELECTRICALENERGY,CANBEDIRECTLYASALOADPOWERSUPPLY,CANALSOSWITCHTOTHEEXTERNALTHREEPHASEPOWERGRID,THEOPERATIONOFSMALLPHOTOVOLTAICPVGRIDSYSTEMDRAW3DMODELOFTHEPOWERSUPPLYCHASSISANDITSTHERMALSTABILITYANALYSISKEYWORDSPOWERSUPPLYCHASSISSOLIDWORKSICEPAKTEMPERATUREANALYSIS1緒論11研究的目的及意義據(jù)統(tǒng)計，55以上電子設(shè)備損壞失效都是因為冷卻系統(tǒng)設(shè)計不良所致。其失效率隨著溫度的升高呈指數(shù)增長趨勢，甚至有的器件環(huán)境溫度每升高10，失效率增大1倍以上。尤其是場效應逆變器中的功率器件，會產(chǎn)生大量的熱量，若不及時排除，將引起電子電路板的熱流密度過高，影響電路的可靠性和壽命。電源電路內(nèi)部的溫升超過極限值時，將導致元器件失效。所以，對逆變器機箱進行熱設(shè)計和熱分析，在產(chǎn)品的整個過程中有著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的熱設(shè)計通常是根據(jù)經(jīng)驗，或應用有限的換熱公式進行預先估計，生產(chǎn)出成品后，再通過實驗來檢驗。產(chǎn)品若不能滿足要求，就要經(jīng)歷修改、再設(shè)計、再生產(chǎn)、再檢驗。顯然，這種傳統(tǒng)的熱設(shè)計方法已不能滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求。因此，在產(chǎn)品設(shè)計階段對其進行有效的熱仿真是非常必要的。熱分析軟件能夠比較真實地模擬系統(tǒng)的熱分布狀況，能夠在產(chǎn)品設(shè)計階段對其進行熱仿真，確定模型中的溫度最高點。通過對模型進行修改或采取必要的散熱措施，消除其熱問題，使其最高溫度在允許的溫度范圍內(nèi)，達到設(shè)計要求。設(shè)計師必須對熱設(shè)計進行深入的分析和研究，才能更好地解決產(chǎn)品設(shè)計中的問題。熱設(shè)計的目的就是要改進其結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料的選擇，尋求最佳的導熱材料與散熱結(jié)構(gòu)，使整個逆變器中產(chǎn)生的熱量盡可能快速傳輸且散發(fā)到周圍環(huán)境中去，有效控制溫度以滿足系統(tǒng)可靠性的要求。熱控制方案的選擇對其可靠性和成本都有深遠的影響，優(yōu)良的熱控制技術(shù)可以保證電源模塊維持良好的工作性能和延長使用壽命?？梢娡ㄟ^對損耗的分析計算得到數(shù)據(jù)參數(shù)，建立電路各模塊溫度模型。通過對熱分析軟件的運用，合理布置散熱器件，設(shè)計散熱通道，選擇散熱方式，從而確定優(yōu)化方案，可以達到降低成本和提高性能的目的，意義巨大。12國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及電力電子設(shè)備的廣泛普及，場效應逆變器在通信、軍事、航天、衛(wèi)星、運輸、航海方面獲得了越來越多的應用，場效應逆變器中用MOS管作功率轉(zhuǎn)換元件幾乎不需要信號源提供電流和功率，可大大簡化電路，特別適合高頻工作。有著更高的能量轉(zhuǎn)換效率，擁有更低的發(fā)熱特性，更長的平均無故障時間以及更高的可靠性以及更小的體積。從八十年代末開始電氣工程設(shè)計師們就已經(jīng)開始嘗試場效應逆變器的研究，大量積聚的熱量又成了設(shè)計師們新的難題。當時因為受落后的生產(chǎn)工藝以及理論研究水平的限制，開關(guān)元件還無法達到很高的開關(guān)速度，強行提高元件的開關(guān)頻率必然將會引起開關(guān)損耗的急劇增加，影像設(shè)備的正常運行。為解決這一矛盾，各種軟開關(guān)技術(shù)應運而生，工程師們期望通過對MOSFET開關(guān)性能的提升達到減少MOSFET開關(guān)損耗的目的。經(jīng)過多年的研究比較后，有兩種軟開關(guān)技術(shù)通過了工程實踐的檢驗，獲得了市場的廣泛認可其中一項是由VICOR公司開發(fā)出的的有源箝位ZVS軟開關(guān)技術(shù)；另一項是在九十年代初誕生的全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)。另一方面，隨著半導體技術(shù)在生產(chǎn)材料以及生產(chǎn)工藝上的迅猛發(fā)展，以前制約著MOSFET性能提升的諸多難題被一一攻克，功率MOSFET的性能獲得了飛躍性的提升。使得當今的MOSFET的導通電阻、開關(guān)時間、以及柵極電容等參數(shù)獲得了大幅的減小。如今隨著微處理器在控制電路中的應用，僅需通過對邏輯電平的切換即可實現(xiàn)對功率MOSFET進行導通控制，使場效應逆變器較上一代晶體管逆變器有著質(zhì)的飛躍。目前，微處理器已經(jīng)廣泛的參與輸出電壓調(diào)節(jié)、頻率設(shè)置、脈寬調(diào)制、占空比大小的控制、降頻升頻控制等工作，而且微處理器的生產(chǎn)成本隨著半導體技術(shù)的進步不斷降低，這使得其應用范圍變得越來越廣泛，同時國內(nèi)外也展開了電子元器件的熱分析研究，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和航空航天技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應用，電子設(shè)備及儀器熱控制技術(shù)受到普遍重視，美國在七十年代就頒布了可靠性熱設(shè)計手冊，作為航空電子設(shè)備的強制性標準執(zhí)行以色列空軍在美國機載電子熱分析和熱測試技術(shù)的基礎(chǔ)上加以改進和應用，并把熱設(shè)計和熱測試作為機載電子設(shè)備產(chǎn)品研發(fā)和交付過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)；日本電氣公司在九十年代中期研制的巨型計算機中就己經(jīng)成功地運用了液冷技術(shù)來進行環(huán)境溫度控制。目前，國外在電子設(shè)備熱分析方面的技術(shù)已趨成熟，能夠解決穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)不同情況下的元器件級、板級和設(shè)備級的熱分析。熱設(shè)計的研究工作也在進行，一些專業(yè)熱設(shè)計軟件得到了廣泛應用，電路板的優(yōu)化布局技術(shù)也趨向成熟，一些新的測量元件和測量方法正大量涌現(xiàn)，如鉑薄膜熱電阻的步進插阻溫度計和輻射測溫技術(shù)等。同國外相比，我國的模塊化電子設(shè)備熱分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計工作起步較晚，理論基礎(chǔ)薄弱。國內(nèi)整個民用電子工業(yè)正處于發(fā)展階段，電子設(shè)備的熱分析、熱設(shè)計、熱測試技術(shù)的研究較少，水平較低，尚處于起步階段。在國內(nèi)民用電子行業(yè)中，電子設(shè)備研制單位存在著僅憑經(jīng)驗作一些初步的熱設(shè)計和采取一定控制措施的誤區(qū)，沒有進行科學合理的熱分析、熱設(shè)計與熱試驗工作，電子產(chǎn)品的熱設(shè)計、熱控制措施缺乏科學性和合理性，因而其可靠性與國外同類產(chǎn)品相比有較大差距。13設(shè)計思路本畢業(yè)設(shè)計論文以6KWMOS管逆變器為研究對象，對逆變器器各部分進行損耗計算，通過熱分析軟件建立溫度模型，通過對溫度模型的分析，布置元件擺放位置及設(shè)計散熱方案實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提出最佳散熱結(jié)構(gòu)。研究內(nèi)容可分為以下幾點（1）用SOLIDWORKS建立各元件圖形模型。運用SOLIDWORKS軟件建立個元件的三維仿真圖，并完成整機設(shè)計。（2）逆變器損耗分析及計算逆變器的損耗主要包括開關(guān)元件的損耗、磁性元件的損耗、電容類元件的損耗等。通過損耗分析，為下一步的研究提供理論支持。（3）熱分析及模型建立通過熱分析軟件，根據(jù)環(huán)境、發(fā)熱量、物體形狀及散熱方式建立溫度模型，從而可以在產(chǎn)品裝箱調(diào)試前完成對逆變器整體發(fā)熱情況的了解。（4）結(jié)構(gòu)優(yōu)化根據(jù)仿真軟件的溫度模型，合理調(diào)節(jié)逆變器中各模塊在機箱中的位置，選擇正確的散熱方式，對散熱片的尺寸及形狀重新設(shè)計以實現(xiàn)快速散熱，并建立流道機箱模型，分析氣流流動狀況，并在不影響功能的情況下實現(xiàn)對機箱散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。14電子設(shè)備熱分析技術(shù)發(fā)展概況與發(fā)展趨勢141電子設(shè)備熱分析技術(shù)發(fā)展概況電子設(shè)備的熱分析，又稱為熱模擬，是利用數(shù)學的手段在電子產(chǎn)品的概念設(shè)計階段獲得溫度分布的方法，它可以使電子設(shè)備設(shè)計人員和可靠性設(shè)計人員在設(shè)計階段就能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的熱缺陷，從而改善其設(shè)計。熱分析方法主要有兩類分析方法和數(shù)值方法。分析方法的難點在于對高階偏微分方程缺乏有效的求解方法，只能求解一些簡單的問題；數(shù)值方法主要有有限差分法、有限容積法、有限元法和有限分析法。近年來，國外的熱分析技術(shù)的研究比較活躍，取得了很多有參考價值的成果JOSHUACILIU等人首次采用邊界元法BEM計算電子封裝系統(tǒng)的溫度分布；美國ROME空軍發(fā)展中心開發(fā)了計算電路板元件結(jié)點溫度的個人計算機PC熱分析器；JOHNNIFUNK等人提出了半解析法來預測印制板穩(wěn)態(tài)溫度；WILLIAMMIGODFREY等人采用解耦、疊代數(shù)值技術(shù)確定PCB板的溫度分布；DAZGUANGLIU等人采用漸進波形估計概念的新技術(shù)求解溫度分布；TIENZYUTOMLEE等人采用計算流體動力學CFD工具預測便攜式電子產(chǎn)品的溫度。這些成果主要解決熱分析的快速性,升級熱分析軟件,并利用熱分析軟件來協(xié)助熱設(shè)計，提高產(chǎn)品的可靠性和有效縮短產(chǎn)品的設(shè)計平移。隨著熱分析理論的逐步成熟，國外從六十年代就開始就先后開發(fā)了ANSYS、FLUENT、ICEPAK等一系列實際應用中的熱分析軟件。而國內(nèi)由于電子工業(yè)的發(fā)展落后于國外，在電子設(shè)備熱分析、熱仿真方面的研究相對滯后，工程師大多是憑著某些經(jīng)驗進行熱分析。但近年來國內(nèi)相關(guān)部門也逐漸認識到了該研究對航空航天及軍事方面的重要性及迫切性,有部分研究部門購買了國外電子設(shè)備熱分析軟件，或開發(fā)出小型軟件對特定的模塊進行熱分析。2逆變器器機箱熱分析研究21熱分析的基本原理熱分析研究的基本理論基礎(chǔ)是傳熱學以及流體力學，其中傳熱學研究的是熱量傳遞的基本形式、傳熱機理、傳熱過程的計算方法；流體力學主要研究流體（空氣、流水等）的流動特性以及流體運動時的阻力計算。熱量的傳遞過程是自然界中普遍存在的一種能量轉(zhuǎn)移過程，熱能的傳遞與其他能量如電能、動能、磁能等的轉(zhuǎn)移過程相類似，都有共同的規(guī)律過程的阻力過程的動力過程中能量的轉(zhuǎn)移在熱傳遞的過程中，熱能轉(zhuǎn)移是所遇到的阻力被稱為熱阻，大小等于兩點間的溫差除以兩點間熱能的差值（41）QTRJ21由式（41）可以看出熱阻越小則在同樣的溫差條件下，物體轉(zhuǎn)移的熱能也就越多，則說明此材料的散熱性越好。在熱量傳遞的過程中有三種最基本的傳熱方式熱傳導、熱對流、熱輻射。（1）熱傳導熱傳導是由不同溫度的物體間或者同一物體內(nèi)部不同溫度部分進行熱能交換的想象。在氣體中，熱傳導主要通過氣體分子的不規(guī)則熱運動是相互間的碰撞實現(xiàn)；在液體中，熱傳遞能主要依靠分子晶體振動時產(chǎn)生的彈性波實現(xiàn)；在固體中主要依靠自由電子來進行能量的交換。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)熱傳遞過程中接觸面的平滑程度、接觸面積以及對接觸面所施加的壓力大小對熱傳遞效果均有不同影響。（2）熱對流熱對流是指流體與固體直接接觸時相互間的換熱過程，按照引起流體運動的原因可分為兩種（A）有外力造成的，引流體內(nèi)部壓力不同產(chǎn)生的流動稱為強迫對流；（B）由冷熱兩種流體密度差造成的流體運動稱為自然對流。（3）熱輻射溫度處于絕對零度以上的物體內(nèi)部都存在不斷運動的電子，由于電子的振動或受到外部條件的激勵，均會通過電磁波的方式向外部環(huán)境輻射能量，這種熱傳遞方式被稱為熱輻射。物體以熱輻射形式發(fā)射的電磁波一般被稱為熱射線，其擁有很寬的波長范圍（01M100M）。211熱分析軟件ICEPAK簡介ICEPAK軟件由全球最優(yōu)秀的計算流體力學軟件提供商美國FLUENT公司研制開發(fā)，廣泛的應用于通訊、汽車、航空電子設(shè)備、電源設(shè)備、通用電氣以及家電等設(shè)計領(lǐng)域，它是一款強大的CAE（COMPUTERAIDEDENGINEERING）仿真軟件，同時也是一種面向電子設(shè)備設(shè)計工程師們開發(fā)的專業(yè)電子設(shè)備熱分析軟件。借助ICEPAK軟件，設(shè)計師們可以完成包括環(huán)境級、系統(tǒng)級、PCB電路板級、元件級的電氣設(shè)備的熱分析以及熱設(shè)計，借助ICEPAK分析得到的優(yōu)化結(jié)果可以大大減少設(shè)計人員的設(shè)計成本，提高產(chǎn)品的一次成功率，改善電子設(shè)備的性能，縮短了電子產(chǎn)品的上市時間ICEPAK軟件主要由以下特點（1）快速的幾何建模ICEPAK軟件包含了箱體結(jié)構(gòu)、發(fā)熱模塊、散熱器、管道、風扇等多種電氣設(shè)計所用到的基本模塊方便工程設(shè)們能夠快速建立設(shè)備封裝模型，而不用從點、線、面開始構(gòu)圖。ICEPAK還允許使用者通過ZOOMIN功能將上一級模型的計算結(jié)果應用于下一級模型中，實現(xiàn)從系統(tǒng)到PCB板的層層細化研究，提高了工程師們的設(shè)計效率。（2）豐富的物理力模型ICEPAK軟件可以模擬出強迫對流、自然對流以及混合對流模型；熱傳導以及熱輻射模型；層流、湍流以及擁有多種不同介質(zhì)的流體模型等（3）參數(shù)化設(shè)計在ICEPAK軟件內(nèi)，沒有什么是不可以用參數(shù)來表示的，通過多變量參數(shù)的控制可以實現(xiàn)對不同工況、不同狀態(tài)、不同結(jié)構(gòu)的計算，使設(shè)計過程更加高效與便捷（4）網(wǎng)格技術(shù)ICEPAK軟件能夠自動的生成非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，生成高質(zhì)量的計算網(wǎng)格。（5）解算功能ICEPAK軟件所采用的是全球最強大的CFD求解器FLUENT，應用有限體積法能夠用于任何系統(tǒng)下的結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格計算。（6）優(yōu)化設(shè)計ICEPAK通過對變量的自動優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的熱設(shè)計方案，通過魯棒性算法使得的優(yōu)化設(shè)計過程更加直觀，擁有更快的計算速度以及更高的設(shè)計精度。（7）可視化處理ICEPAK軟件可以將計算后的結(jié)果通過速度矢量圖、等值面圖、分布云圖以及AVI、MPEG、GIF格式的動畫呈現(xiàn)出來，使得分析結(jié)果更加的直觀。212流體力學基礎(chǔ)NS方程流體流動是受物理守恒定律支配的，流體力學的基本方程是計算流體力學的基礎(chǔ)，在連續(xù)介質(zhì)力學范疇下，流體力學的基本方程為納維斯托克斯方程NAVIERSTOKES方程，簡稱NS方程，包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。222數(shù)值法求解溫度場比較20世紀中葉開始的計算機技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)值計算方法的應用提供了極大的發(fā)展空間。數(shù)值法是以離散數(shù)學、數(shù)值計算方法為基礎(chǔ)，以計算機為工具的一種求解方法。根據(jù)求解方法的不同，數(shù)值方法主要分為有限單元法FEM，有限差分法FDM和有限體積法FVM三種。三種方法的求解思路類似，但是數(shù)學基礎(chǔ)不同。數(shù)值法基本思路為A采用網(wǎng)格劃分技術(shù)，將求解區(qū)域離散為各個微元體；B根據(jù)守恒定律，針對每個微元體建立微積分控制方程；C將微積分方程在時間僅針對瞬態(tài)分析和空間上進行離散；D求解方程，得到溫度場分布。下面對本文采用的數(shù)值求解方法進行研究。有限體積法FVM有限體積法，又稱為控制體積法CONTROLVOLUMEMETHOD，簡記為CVM，可以看成是積分形式的有限差分法。有限差分法直接對偏微分方程進行離散，而有限體積法直接對積分型方程進行離散。有限體積法的基本思想是將計算區(qū)域劃分為一系列不重復的控制體積，并使每個網(wǎng)格點周圍有一個控制體積；將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程，求解所建立起來的代數(shù)方程組以獲取所求解變量的近似值。它的特點是積分守恒。有限體積法有以下特點（1）有限體積法的出發(fā)點是以積分的形式表示控制方程，通過特征變量表現(xiàn)控制容積內(nèi)的守恒特性。（2）積分方程中每一項都有明確的物理定義，當方程離散時各離散項都能得到恰當?shù)奈锢斫忉尅＃?）區(qū)域離散的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)欲進行積分的控制容積分立，各節(jié)點的控制容積互不重疊，從而能保證整個求解域中變量的守恒。因此在求解流動與熱傳導領(lǐng)域，有限體積法受到了廣泛的認可，目前已經(jīng)被絕大多數(shù)工程流體和熱分析計算軟件所采用。22逆變器熱分析6KWMOS管逆變器經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、零件安裝、測試后進行熱分析研究，以下為其結(jié)構(gòu)參數(shù)及各模塊功耗參數(shù)（1）機箱尺寸6KWMOS管逆變器機箱的長度為30CM，寬度為25CM，高度為45CM。（2）電路各模塊功耗在6KWMOS管逆變器中，主要考慮14個MOS管的發(fā)熱情況。且14個MOS管的平均損耗為25W按照設(shè)計電源溫度要求根據(jù)參數(shù)設(shè)計指標要求，當環(huán)境溫度為30時，逆變器機箱平均溫度不得高于60。（3）電氣元件溫度要求由產(chǎn)品說明書中可以查得MOS的最高工作溫度不得超過175。如不采取必要的散熱措施必將導致MOS管溫度過高，當超過175時就會發(fā)生P/N結(jié)擊穿,就會出現(xiàn)MOS管燒毀事故，引起DC/DC電源發(fā)生故障?？刂齐娐分械臄?shù)字信號處理芯片的工作溫度不得超過85。即電源正常工作時，主控制板所處的環(huán)境溫度如果過高，將引起電路板中個集成電路芯片的正常運行。23機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計231熱設(shè)計參數(shù)計算（1）有效散熱面積本次設(shè)計的6KWMOS管逆變器機箱長度為025M，機箱的寬度為025M，機箱的高度為015M。根據(jù)德國VDE0660/500標準，可計算得到機箱有效散熱面積（23）2E85704181MBTHA（2）機箱自然對流散熱計算由于流體內(nèi)部溫度差的存在，導致流體內(nèi)部不同的溫度其密度也各不相同，在沒有外部力量影響下，溫度高的流體因為其密度小，就會上升；而溫度低的那部分流體由于其密度相對大些，就會下降，因為密度的不同而引起的流體內(nèi)部流動的現(xiàn)象稱為自然對流現(xiàn)象，由自然對流產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)象被稱為自然對流傳熱現(xiàn)象。自然對流傳熱量可通過式（24）計算（24）TAHQEC1其中為對流散熱量（W）；為換熱系數(shù)（）；為有效散熱1Q/2MWEA面積（）；為換熱表面與流體溫差（）。2MT本次設(shè)；自然空氣換熱系數(shù)5；。由0CH/228570ME式44計算可得自然對流傳熱量。WQ431（4）機箱本身自然輻射散熱計算熱輻射使物體通過電磁輻射的形式將熱能向外散發(fā)，這是一種非接觸式的傳熱散熱方式，在真空中也能進行散熱。任何物體在發(fā)出輻射的同時也可以不斷地吸收周圍物體的輻射能，物體的輻射能力級單位時間內(nèi)由物體表面向外輻射的能量隨溫度的升高而大幅增加。通過式（45）可計算輻射散熱量（25）4212TAQ其中為輻射散熱量（W）；為材料輻射率（W/），也稱為黑度；2Q2M為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)；T1及T2分別為材料表面溫428/0675K度及環(huán)境溫度。設(shè)材料表面的絕對溫度為328K，環(huán)境溫度為318K，機箱材料為鐵質(zhì)噴黑漆，材料輻射率，由式（25）計算得輻射散熱量。42/80KMWQ6952（5）通過式（26）可以計算出自然散熱情況下，時，機箱所需的開10T孔面積（26）42/51031THQS其中Q為機箱內(nèi)部熱源總和Q14X25350W，機箱高度H045M，則為使機箱溫度下降10需開孔面積為234，這遠遠超出了機箱的表面積，因此M簡單的采用自然散熱是無法達到設(shè)計要求的溫度。再考慮到機箱內(nèi)部有多個熱源模塊，其機箱內(nèi)部的功率分布也是不均勻的，這必然要求采取一定的散熱方式來加快機箱內(nèi)部熱能向外的傳導速度，提高散熱的效率。232散熱方案選擇計算表明通過自然散熱的方式是根本無法解決該高功率密度的電力電子設(shè)備的散熱問題的，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)當電子設(shè)備的熱流密度達到以上，2/08CMW或者體積功率密度達到以上時，不管是自然熱對流還是是熱輻射都3/180CMW是無法滿足設(shè)備的散熱問題了，此時設(shè)計師通常采用強迫對流的方式即加快空氣流通速率以達到將設(shè)備內(nèi)部熱能快速按轉(zhuǎn)移出去的目的，在有限體積有限而發(fā)熱量巨大的設(shè)備中如電子負載或熱交換器中，設(shè)計者們甚至采用液冷的方式強制排出設(shè)備內(nèi)部積聚的熱能。如圖21所示為在不同熱流密度時設(shè)備所需采用的散熱方式。（1）風扇風量計算強迫對流散熱即是使用外力從而加快空氣的流速，加快機箱內(nèi)外熱能得交換的速率，通常設(shè)計師們最常用的即通過風扇來進行強迫對流。圖21散熱方式選擇強迫對流所需的風量Q可通過式（27）計算得出（27）/TCP（47）中為空氣比熱，當環(huán)境溫度為30時，；空PCKGJP/051氣密度；出風口與環(huán)境溫差；可計算出DC/DC變換器3/091MKG30T機箱采用強迫散熱方式時所需風量SMCP/0191533（2）風道結(jié)構(gòu)設(shè)計風道即是指空氣在機箱內(nèi)部的流動軌跡，沒有好的風道設(shè)計，任憑大排量散熱風扇如何旋轉(zhuǎn)，機箱內(nèi)部也總是會存在氣流的死角，使熱量大量積聚在機箱內(nèi)部的特定的位置從而無法有效的排出。同時不合理的風道還會造成灰塵、粉塵等在機箱內(nèi)部大量積聚，不光是會嚴重影響散熱結(jié)果熱切嚴重時還會影響內(nèi)部電氣元件的正常運行。合理的風道設(shè)計講究在強制對流風扇的的作用下，形成流暢、無障礙的氣流通道，使冷空氣從機箱的一側(cè)的散熱開口處進入，有另一側(cè)經(jīng)風扇排除，在空氣流動的過程中熱能的傳遞與交換帶走機箱內(nèi)部電氣元件正常工作中產(chǎn)生的熱量，從而達到散熱的目的。常用的散熱風道設(shè)計有吹風式散熱風道以及抽風式散熱風道兩種（A）吹風式風道圖22吹風式風道吹風型散熱如圖22所示，吹風式風道可以產(chǎn)生很集中的風量，在特定的位置還能夠產(chǎn)生很大的風壓，特別適用于熱量分布不均勻，尤其是需要對發(fā)熱量很大的元件或?qū)ｉT區(qū)域進行重點散熱的場合。但是吹風式風道存在系統(tǒng)的風速分布不均勻的問題，所以容易易出現(xiàn)氣流死角，如果不進行合理的風道設(shè)計就容易出現(xiàn)局部回流區(qū)或低速區(qū)，反而會加重某些區(qū)域的發(fā)熱狀況。（B）抽風式風道圖23抽風式風道抽風式散熱方式如圖23所示，抽風式風道產(chǎn)生的風速分布比較均勻，在機箱內(nèi)部各個角落的元器件均能被氣流流過，受到散熱效果，因此在內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，氣流因受到的大阻力造成氣流流動不暢情況的設(shè)備中，抽風式風道獲得了廣泛的應用。但是由于抽風式風道內(nèi)部氣流比較平緩，在惡劣的工作環(huán)境中無法迅速排除灰塵等雜物，易產(chǎn)生塵埃積聚的現(xiàn)象。散熱風道的設(shè)計過程中需要考慮風扇風量、風壓、氣流流速、系統(tǒng)阻尼特性、應用環(huán)境條件、設(shè)計噪音要求、電磁干擾特性等多種因素來選擇風扇型號以及風道形狀，在實際的設(shè)計中，通過ICEPAK熱仿真軟件通過不同散熱風道的比較，選擇最適合于本次設(shè)計的風道模型。24本章小結(jié)本章介紹了熱分析的理論基礎(chǔ)為傳熱學，流體力學以及能量守恒定律以及常用的熱分析計算方法；介紹了ICEPAK軟件的工作原理，以及其相對設(shè)計上常用的幾種熱分析軟件所具有的優(yōu)點。同時在本章節(jié)中初步的通過理論計算得出自然冷卻散熱方法是無法應用于大功率密度的電力電子變換裝置中的，欲達到設(shè)計要求的散熱標準必須采用強制散熱方法對設(shè)備內(nèi)熱源進行散熱。通過對風量大小計算、吹風方式選擇、風道形狀計算以及熱源布置位置等，實現(xiàn)對逆變器機箱的散熱設(shè)計。36KWMOS管逆變器機箱熱仿真分析31熱仿真試驗通過對機箱的內(nèi)部主要發(fā)熱元件、散熱元件以及結(jié)構(gòu)的參數(shù)的設(shè)定運用ICEPAK軟件根據(jù)設(shè)定參數(shù)進行熱仿真分析從而得到溫度分布云圖。通過在熱仿真過程中對各種結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)的改變，從而可以確定各種參數(shù)的變化對機箱的散熱的效果的影響。通過比較不同散熱方式帶來的效果并且調(diào)節(jié)散熱結(jié)構(gòu)可對原定機箱設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行散熱優(yōu)化，并通過ICEPAK熱分析軟件進行仿真，證明熱分析在電力電子產(chǎn)品設(shè)計中的重要性。（1）機箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計通過ICEPAK軟件建立的機箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模型如圖31所示圖31機箱機構(gòu)設(shè)計（A）環(huán)境參數(shù)的設(shè)定（B）表31系統(tǒng)邊界參數(shù)的設(shè)定邊界條件參數(shù)設(shè)定環(huán)境溫度30換熱系數(shù)KMW/52重力方向Y軸方向求解類型對流與傳導湍流模型湍流模型K（C）機箱的體積及箱體的材料參數(shù)設(shè)定設(shè)定機箱體積參數(shù)長為25CM，寬為30CM，高為15CM；機箱壁所用的材料為厚度1MM，導熱系數(shù)為75的灰色鐵皮；設(shè)定機箱的六塊KMW/壁板的參數(shù)。（D）散熱器參數(shù)的設(shè)定設(shè)定所用的散熱器的具體參數(shù)，散熱器的長為17CM，寬為3CM，高為10CM；散熱器背板厚度為5MM，每個散熱器有10片散熱翅片，其厚度為1MM，散熱器的材質(zhì)為鋁制，導熱系數(shù)為237W/MK。（E）功率MOSFET的參數(shù)設(shè)定設(shè)計采用的是IPP110N20NA型的功率MOSFET長為95MM，寬為91MM，厚度為45MM，在參數(shù)設(shè)定中為方便計算設(shè)定其長寬都為10MMMOS管功率為25W。（F）風扇參數(shù)的設(shè)定設(shè)計采用2個風量為002KG/S的風扇，其直徑為6CM。（2）生成網(wǎng)格圖32系統(tǒng)網(wǎng)格模型網(wǎng)格劃分是熱仿真工程中的重要步驟，ICEPAK熱分析軟件通過有限體積法進行迭代計算每個網(wǎng)格中的溫度或氣體流速從而生成溫度分布云圖。首先，通過GENERATEMESH選項設(shè)置粗網(wǎng)格參數(shù)，通過網(wǎng)格檢查標準判斷劃分的網(wǎng)格是否符合仿真要求（1）兩實體面間的網(wǎng)格至少為兩個；（2）每個流體對象最少應包括56個網(wǎng)格單元。通過CUTPLANE中SETPOSITIONPOINTANDNORMAL選項建立平面檢查網(wǎng)格劃定狀況。其次，通過OBJECTPARAMS選項分別細化機箱中各模塊周圍網(wǎng)格，從而使最終計算結(jié)果更為精確。系統(tǒng)網(wǎng)格最終劃分結(jié)果如圖32所示，可以看出網(wǎng)格在散熱片，功率MOSFET管以及風扇周圍的劃分更為密集。（3）求解計算經(jīng)過對氣流參數(shù)檢查并在BASICPARAMETERS中激活湍流模型，通過RUNSOLUTION選項計算散熱結(jié)果是否收斂，如圖33所示為計算后所得的殘差曲線，在復雜系統(tǒng)的仿真計算中，求解速度取決于所用電腦的性能。圖33殘差曲線由殘差曲線可以看出除CONTINUITY曲線外，其他曲線都在附近102103收斂，可以認為系統(tǒng)收斂。（4）檢查仿真運行結(jié)果如圖34所示為ICEPAK熱仿真軟件對功率管管以及散熱模塊周圍溫度分布云圖在XZ、YZ、XY三個方向截面上溫度的分布。（A）YZ截面溫度分布（B）XZ截面溫度分布（C）XY截面溫度分布圖34熱仿真溫度分布云圖通過對圖34的分析可以得到以下結(jié)論（1）主開關(guān)管由于功耗大因而溫度相對來說要略高一些，當環(huán)境溫度在20時，MOSFET溫度穩(wěn)定在70左右。（2）由于機箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)導致風道結(jié)構(gòu)復雜，氣體流動受內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響造成散熱不暢。（3）如圖35氣體流速分布圖所示，出風口附近氣流流速并不高，無法實現(xiàn)快速散熱效果，因而以附近MOS管溫度是整個機箱中最高的。（A）保護MOS管附近氣體流速（B）YZ截面氣體流速圖35氣體流速分布圖ICEPAK熱仿真結(jié)果，我們可以看出當前設(shè)計存在諸多缺陷，需對機箱散熱結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。32設(shè)計參數(shù)對散熱結(jié)果影響要想實現(xiàn)對散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析及，就要充分了解了解機箱內(nèi)部各種參數(shù)對散熱結(jié)果的影響，包括散熱方式的選擇、風道結(jié)構(gòu)的設(shè)計、散熱片參數(shù)的設(shè)定、各模塊的擺放位置等。321散熱方式對散熱結(jié)果的影響在第四章中通過計算論證了在大功率的機箱設(shè)計中，自然散熱方法已經(jīng)遠遠不能滿足散熱要求。通過熱仿真軟件可證明此計算結(jié)果。自然散熱,即令強制散熱風扇輸入風量為0，其溫度分布如圖57所示圖37自然散熱溫度分布云圖從溫度分布云圖可以看出，采用自然散熱方法機箱內(nèi)部的最高溫度達到了1208，平均溫度達到83，不能滿足設(shè)計要求。322散熱片參數(shù)對散熱結(jié)果的影響XYZNDL1D1L圖38散熱器結(jié)構(gòu)如圖58所示為常用散熱片結(jié)構(gòu)，其設(shè)計參數(shù)主要包括散熱片翅數(shù)量N，散熱翅片厚度D1，散熱翅片高度L，散熱底座厚度D，本節(jié)將通過ICEPAK熱仿真軟件對各參數(shù)對散熱結(jié)果的影響進行分析。（1）散熱片數(shù)N對散熱結(jié)果影響設(shè)置散熱翅片數(shù)N為410片，每片厚度為1MM，通過熱仿真檢測在吹風式風道中機箱內(nèi)最高溫度、平均溫度、散熱片平均溫度，從而研究散熱翅片數(shù)量對散熱結(jié)果的影響。表32散熱片熟數(shù)量與溫度關(guān)系表散熱翅片數(shù)機箱最高溫度機箱平均溫度散熱底板溫度49168933088172675854605303806685678038630273980477700093017335028705427301669707970345330067278210626722291605868散熱片數(shù)量并不是越多其散熱效果越好。受流體力學的影響，散熱片數(shù)量過多將導致散熱片的間距過于狹窄，導致散熱片間的氣流的流速無法提高；同時隨著散熱片數(shù)量增加，其截面積相應擴大，其對氣流的阻礙作用隨之增加，影響了散熱效果。由熱仿真結(jié)果可以看出對于本次設(shè)計使用的寬L3CM的散熱片來說，10枚散熱翅片能起到最好的散熱效果。2）散熱片厚度D1對散熱結(jié)果影響設(shè)置10枚散熱翅片，散熱片厚度D1從05MM15MM變化，通過熱仿真檢測在吹風式風道下機箱內(nèi)最高溫度、平均溫度、散熱片平均溫度，從而研究散熱器底座厚度對散熱結(jié)果的影響。表33散熱片翅片厚度與溫度關(guān)系表散熱片厚度MM機箱最高溫度機箱平均溫度散熱底板溫度056251792865844900656231282885986000862316128859868616474963026234801262901229661295615621141305608836（3）散熱器底座厚度D對散熱結(jié)果影響設(shè)置10枚厚度為08MM，寬度3CM，長度17CM散熱翅片，通過改變散熱器底板厚度從1MM5MM變化，通過熱仿真檢測在吹風式風道下機箱內(nèi)最高溫度、平均溫度、散熱片平均溫度，從而研究散熱器底座厚度對散熱結(jié)果的影響。表34散熱底板厚度與溫度關(guān)系表基板厚度MM機箱最高溫度機箱平均溫度散熱底板溫度18718402927680712756668289685671367366929164241146440962936034525623161288598686323風道結(jié)構(gòu)對散熱結(jié)果的影響（1）吹風式風道散熱模型如圖39所示為采用吹風式機箱的簡單模型，有溫度云圖可以看出，雖然主開關(guān)管功耗以及同步整流管功耗都遠大于保護電路MOS管功耗，由于主電路距離風扇距離較近，器件表面氣流流速大，因而能夠受到良好的散熱，器件表面溫度為4050；而保護電路處于風道末尾，此位置因遠離風扇，氣流流速已大大降低無法實現(xiàn)很好的散熱效果，器件表面溫度達到5060。機箱不同位置氣圖39吹風式風道溫度云圖（2）抽風式風道散熱模型抽風式風道溫度云圖如圖310所示。通過分布云圖可以看出抽風式風道在機箱內(nèi)產(chǎn)生的氣流速度遠遠小于吹風式風道，因而熱能大量積聚在機箱內(nèi)部，造成散熱不暢，機箱內(nèi)平均溫度遠遠高于吹風式風道圖310抽分式風道溫度云圖（3）混合式風道散熱模型混合式風道采用兩風扇“前吹后拉”的方式實現(xiàn)，通過熱仿真得到其機箱溫度分布云圖如圖311所示。圖311混合式風道溫度云圖通過前后兩個風扇前來后推的方式，大大加快了機箱內(nèi)部氣流的流速，使機箱前后的的風速始終保持在一相當?shù)母?