大功率散热器优化设计论文

摘要：为了改善晶闸管的散热性能，对直流融冰装置的风冷散热器的结构进行了优化设计，对优化后的散热器温度场进行了有限元仿真，并通过温升试验来验证其能满足晶闸管的散热需求，温升仿真和试验共同表明了所设计的风冷散热器的散热性能满足设计要求。今天小编为大家推荐《大功率散热器优化设计论文(精选3篇)》，仅供参考，希望能够帮助到大家。

大功率散热器优化设计论文 篇1：

大功率LED灯的散热性能分析

摘要：近年来，LED灯在照明领域应用的越来越广泛。LED灯在产生光能的同时，也有一部分电能转换成热能导致LED灯具内部温度升高，当灯具内部温度超过允许界限之后可能会降低LED的发光效率、烧坏LED晶片、缩短其使用寿命，并且LED的产热量与LED的功率成正比。可见散热问题是大功率LED应用和发展的最大阻碍，而如何使这部分热量快速散发出去是业内人士普遍关注的问题。关键词：大功率：LED灯;散热性能

文献标识码：A

0引言

以大功率LED灯具热管理为入手点，从芯片级、封装级、系统集成散热级3个方面，对大功率LED灯散热结构进行了简单的分析。并依据大功率LED灯运行热性能影响因素，对大功率LED灯散热性能优化进行了进一步探究。

1大功率LED灯的散热分析

LED灯的发热源：成品LED的光源就是LED的发热源，LED输入功率的70%左右将以热量的形式发散出去。从照明原理及其基本架构来看，可概括为“一源两面i6.源”指的是LED的光源，用来充当照明所需的光输出;“两面”分别指发光面和发热面。导热器件及均热器件：导热器件及均热器件通常是指PCB板子上的金属（一般为铝材质的）部分，常被称作“一次器件”。导热器件和均热器件的主要功能是将LED在放光过程中产生的热能导出来，同时将所有热点的热量均匀化，从而提高整体的散热效率。散热器件：大功率和中等功率的LED照明灯的散热器件主要由铝材构成，通常被称作“二次器件”[1。散热器件采用专门的铸造工艺，如利用压铸、挤压、锻造以及表面涂覆等工艺制造，热量最终在空气对流的作用下被发散掉。此外，超大功率的LED灯还可以应用热管散热器技术来增强散热能力。

2大功率LED灯的散热性能影响因素

2.1翅片几何参数及位置

一方面，在翅片达到额定高度之前，随着翅片几何高度的提升，大功率LED灯散热性能也不断提升。同理在翅片达到额定厚度之前，随着翅片厚度的增加，大功率LED灯散热效率也不断提升[2]。另一方面，大功率LED灯散热翅片高度、宽度、间距具有一致性，而其在长度、数量等方面的差异，也直接影响了大功率LED灯散热性能。从大功率LED灯芯片温度变化角度进行分析，芯片四侧面翅片散热效果远高于上表层一翅片散热效果。

2.2工作环境温度

大功率LED灯工作外部温度也对大功率LED灯表面散热效率具有一定的影响。一般来说，在大功率LED灯表面与外界环境温度差异较大时，大功率LED灯可达到最优散热效率。

2.3散热器材料类型

大功率LED灯散热片主要以对流、热辐射2种模式进行热量散出。而在自然空气对流的背景下，若选择导热性能良好的大功率LED灯散热片材料，则可提高大功率LED灯散热器散热效果。

3大功率LED灯的散热性能优化

3.1大功率LED灯散热结构优化设计

一方面，基于翅片结构的散热结构优化，以某型号大功率LED灯散热片为例，依据翅片高度、长度对大功率LED灯散热性能仿真模型分析结果，可得出当大功率LED灯散热器翅片高度在0.05～0.07m之间时，芯片温度波动较大，而大功率LED灯散热器翅片高度在0.071～0.11m时，芯片温度波动趋于平缓。据此，综合考虑大功率LED灯散热片形状及成本因素，在散热器内部结构优化过程中，可控制大功率LED灯散热器翅片高度在0.05～0.11m之间[3]。同理，依据大功率LED灯长度与大功率LED灯散热性能有限元分析结果，可控制大功率LED灯散热器翅片长度在0.030～0.120m之间。另一方面，基于自然LED影视平板的散热结构优化设计。以LED安全温度范围为依据，可采用18颗集成式LED光源，以3组的形式合理设置在LED光源传热面层上。在每组集成LED光源间可设置整体式凹槽，凹槽底部可设置散热器支撑板，将整体散热器划分为2个模块，即LED光源安装区域、LED热量散发区域。而在LED光源凸出模块两端可分别设置排列式缺口，便于散热器安装位置与LED光源位置的有效对应。在具体运行过程中，基于自然影视平台的LED散热结构散热器、LED光源区连接通道主要为缺口、通孔。而整体LED灯具散热系统传热载体为LED基板，即LED灯具中温度最高位置。由LED芯片出發，通过缺口、通孔传输到LED基板中的热量，大多以散热器→散热片→空气为散热线路;而在LED灯具基板之外的热量，由于LED高温基板的影响，区域内多余热量可通过散热片热量通道散出。为了确定基于自然衍射平台LED散热结构具体数据，可在LED灯具热平衡后，放置在温度为32.0"C，湿度为55.0%，且无风扇或其他通风装置的恒定温湿度区域内，采用红外线测温仪对改造后LED灯具、改造前LED灯具各结构模块热分布情况进行探测，通过对LED改造后结构各模块热分布情况分析，可进行空气冷热交换流动模拟，从而得出具体通孔、缺口设置数据。此外，在大功率LED灯散热片结构中，每一组散热器翅片组合均具有一最高值，且相应散热器翅片组合数量、间隙距离也与大功率LED灯散热性能具有一定联系。因此，为保证大功率LED灯散热翅片间空气正常流通，可控制大功率LED灯散热片数量在12～16片之间。

3.2大功率LED灯散热体材料选择

散热体材料对大功率LED灯散热性能的影响主要体现在不同散热材料导热系数间差异。从定性层面进行分析，随着导热系数的增加，大功率LED灯表层热阻会逐步下降，进而提高整体散热体热量传导效率。常见的大功率LED灯散热体材料主要包括银、铝、铝合金、铜等几种材料。其中，银的导热系数最大，为429.0W/（m.K），铝合金的导热系数最小，为155.0W/（m·K）。若单一从导热系数角度进行分析，银为大功率LED灯最佳散热体材料。但是由于银柔韧性不足，无法使散热器稳定运行。同时，考虑到性价比、硬度等因素，可选择铜或者铝作为大功率LED灯散热体主要材料。一般来说，若存在250W或以上的LED灯具，可在铝材料应用的基础上，添加适量的铜作为散热材料。而在现有LED灯具中，常采用铝作为散热材料。此外，在电子设备材料发展过程中，大功率LED灯散热体材料类型也逐渐增加。在保证大功率LED灯架构紧缩性能的前提下，可采用MAP系列高导热系数软性硅胶导热绝缘垫作为大功率LED灯散热体材料。以MAP-05为例，其作为大功率LED灯表层缝隙填充材料。MAP-05优越的质地，可在极低压力下、高温160.0°C环境中保持良好的传热性能。同时，软性导热硅胶绝缘垫片状材质，还可以根据LED灯发热功率器件大小、形状进行随意更换，是较为优良的导热材料。

3.3大功率LED灯温度试验及数据分析

大功率LED灯温度试验主要是采用现代加工技术，针对最终优化灯具模型，选择同样的数据尺寸信息进行样品制作。同时，选择额定功率为1.5W的LED芯片，共计50颗阵列式排布在铝基板上，开展稳态温度试验。温度试验主要采用优化后大功率LED灯具整机实验方式，将试验样灯放置在48°C恒温试验箱内。并向试验箱内连接220.0V电压线，持续运行24h后，使用温度测试仪测试样灯表层温度。通过实验对比分析，可得出由于测试环境、设备、接线盒等因素的影响，优化后实际温度试验、有限元模型仿真试验结果具有一定误差，总体数据分布规律相差不大。据此，在后续大功率LED灯优化后结果分析过程中，可选择有限元模型仿真的方法进行数据分析。

发光二极管即LED是当前应用最普遍的新型冷光源之一，它本身具有高效节能、使用寿命长、对环境几乎不产生污染等优点，在各大领域得到了非常广泛的应用，并成为了21世纪发展前景最广阔的光源之一。但是对于功率较大的LED来说，其本身在发光的过程中会产生过多的热量，如果这部分热量无法及时发散，则会很大程度地损坏LED。为此，文中总结了优化散热片、加装热管或均温板、优化界面材料和加装散热风扇等方法来提高LED的散热效率。

参考文献

[1]王长宏，谢泽涛，邹大枢，等.大功率LED散热器的数值模拟与优化[J].电子元件与材料，2015，34（6）：44-47.

[2]廖绍凯，梅甫良，林广平，等.阵列式大功率LED灯散热分析与优化[J].机电工程，2015，32（2）：290-294.

[3]李加，葛志晨，徐和辰，等.大功率LED灯具翅片式散热器结构分析与优化[J].中国照明电器，2016（3）：122-123.

作者：朱中平

大功率散热器优化设计论文 篇2：

直流融冰装置风冷散热器优化设计

摘要：为了改善晶闸管的散热性能，对直流融冰装置的风冷散热器的结构进行了优化设计，对优化后的散热器温度场进行了有限元仿真，并通过温升试验来验证其能满足晶闸管的散热需求，温升仿真和试验共同表明了所设计的风冷散热器的散热性能满足设计要求。

关键词：直流融冰装置;风冷;散热器;优化设计;有限元仿真

0 引言

直流融冰装置能够有效消除附着在电网输变电设备上的冰雪，因而能够较大程度地避免冰雪灾害对电网带来的重大损失[1-2]。

直流融冰的基本原理是将系统的交流电转化为直流电，然后利用直流电对输电线路进行加热来融化冰雪[3]。

晶闸管是直流融冰装置的关键部件之一[4]，晶闸管作为一种大功率的半导体元器件，在工作时会因电流通过而发热，若温度过高，超过一定阈值，会导致晶闸管的性能下降，甚至烧毁。为了保证融冰装置的稳定运行，晶闸管的温度不能超过阈值，因此设计有效的散热器是保证直流融冰装置稳定运行的关键。

晶闸管主要的冷却方式有水冷和风冷[5-6]，水冷散热效果好，但需购置水冷设备，占地面积大，并且水冷直流融冰装置内部水管与线路交错复杂，不便于维护与检修。本文优化设计的对象是某工程融冰装置晶闸管风冷散热器，與水冷相比，风冷装置更节省占地，维护更加简便，并且没有漏水的风险。

1 晶闸管传热原理

晶闸管在运行时，通态时的功率损耗导致晶闸管内部P-N结处产生大量的热量，为了使晶闸管迅速降温，通常在晶闸管两侧压装风冷散热器[7]，如图1所示。

热量首先由晶闸管内部的P-N结（j）传导至管壳（c），其热阻[8]表示为Rjc，然后热量从管壳（c）传导至风冷散热器（h），其热阻表示为Rch，最后热量从风冷散热器（h）传导至周围的空气（a），其热阻表示为Rha。由于晶闸管管壳传导给周围空气的热量相对较少，因此不考虑它们之间的热阻，所以，整个热传导过程中的总热阻R为：

R=Rjc+Rch+Rha

其中，热阻的单位为摄氏度每瓦（℃/W）。

本文通过优化风冷散热器的结构来降低热阻Rha，从而提高晶闸管的散热性能。

2 有限元仿真分析

2.1    风冷散热器结构

晶闸管和风冷散热器是通过工装压装在一起的，由于工装的限制，长度方向有250 mm的距离，但还需要预留检修空间，因此确定风冷散热器的长度为200 mm。本工程是移动融冰装置，融冰装置是放置在集装箱内，因此高度方向有限制，风冷散热的高度为105 mm，而宽度方向由于风道结构的约束，风冷散热器的宽度确定为180 mm。散热器在装置中不仅需要为晶闸管散热，还需要为结构提供强度，承受装置的较高压力，散热器整体材质为兼顾散热效率和结构强度的工业铝材6063。风冷散热器的结构如图2所示。

散热器中间风道间隔布置翅片，可以增大散热面积，提高风冷的散热效果。

2.2    边界条件与网格划分

本文利用有限元软件ANSYS的Icepak模块来对风冷散热器进行仿真计算。首先将风冷散热器三维模型导入到ANSYS中，建立合适的流体域，如图3所示。为使有限元模型与实际情况尽可能相同，设计的流体计算域为最外侧实线所包裹的长方体区域，计算域X轴方向的长度为200 mm，Y轴方向的长度为105 mm，Z轴方向的长度为380 mm。

根据本工程参数设置边界条件，单个晶闸管的发热功率为2 200 W，由于是双侧散热，因此单侧发热功率为1 100 W。进风温度按照环境温度设定为20 ℃，风速为6.5 m/s。

在图3中，1代表进风口，并设置Z轴方向的风速为6.5 m/s，温度为20 ℃;2代表出风口，参数默认;3和4是模拟晶闸管发热盘面设定的直径为110 mm的面热源，它们的发热功率各为1 100 W。

边界条件创建好之后进行网格划分。本文采用的网格类型是六面体占优网格，模型的网格划分结果如图4所示。

划分后，获得了532 072个网格单元和557 172个网格节点，图中所示网格质量的面对齐率为0.95，远大于通常面对齐率一般要求的0.15，网格质量较好，可以进行下一步计算。

2.3    散热器温升仿真计算

边界条件和网格划分完成后，进入计算步骤，通过迭代计算，当计算结果收敛时，获得风冷散热器的温度场，如图5所示。

通过温度云图可以看出，晶闸管与风冷散热器接触面处的温度最高达到90.3 ℃，超出晶闸管的结温阈值85 ℃较多，在此条件下长期运行，装置会有风险，故需要对风冷散热器的设计进行优化。

3 改进方案

3.1    风冷散热器结构优化

风冷散热器的整体尺寸不能变化太大，因此在不改变风冷散热器整体尺寸的条件下，在盖板内设置了热管来提高风冷散热器的散热性能。优化后的风冷散热器如图6所示。

3.2    优化后散热器温升仿真

根据上文所述的散热器仿真边界条件，对优化后的风冷散热器进行仿真计算，得到散热器温度云图，如图7所示。

从图7可以看出，进风温度按照环境温度设定为20 ℃，风速为6.5 m/s，风冷散热器工作时的表面最高温度为80.9 ℃，未超过晶闸管结温阈值。

3.3    温升试验

对优化后的风冷散热器进行了样品试制，并开展了温升试验，试验平台如图8所示。

测试时在距离散热器出风口30 mm处设置了风速仪，采用加热管来模拟晶闸管发热，为了更好地达到均温的目的，使用5根加热管，发热面积与晶闸管相同，单面发热功率1 100 W。散热器底板开槽，将感温线埋于底板内，并确认探点与铝板接触良好。

测试环境温度为32 ℃，试验数据如图9所示，风速为6.5 m/s的时候散热器表面的最高温度为89.7 ℃，此時散热器表面最高温度与环境温度的温差为57.7 ℃，第3.2节仿真结果与环境温度的温差约60.9 ℃，误差为5.3%，考虑到仿真与试验的条件存在偏差，本文认为误差在可接受的范围内，因此优化后的风冷散热器在散热性能方面满足设计要求。

4 结语

本文根据某工程直流融冰装置晶闸管的散热需求，对风冷散热器进行了初步设计和温升仿真计算，针对仿真结果不满足设计要求的情况，对散热器进行了结构性能上的优化，并通过样品试制验证了优化后风冷散热器的散热性能，最终设计出满足该融冰装置的散热器。

[参考文献]

[1] 傅闯，饶宏，黎小林，等.直流融冰装置的研制与应用[J].电力系统自动化，2009，33（11）：53-56.

[2] 傅闯，许树楷，饶宏，等.交流输电系统直流融冰装置设计及其应用[J].高电压技术，2013，39（3）：705-711.

[3] 姚致清，刘涛，张爱玲，等.直流融冰技术的研究及应用[J].电力系统保护与控制，2010，38（21）：57-62.

[4] 熊辉，邵云，颜骥，等.基于Fluent的6英寸晶闸管水冷散热器设计及优化[J].大功率变流技术，2013（4）：22-27.

[5] 丁杰，张平.晶闸管水冷散热器的热仿真与实验[J].机械设计与制造，2016（7）：177-180.

[6] 倪裕康，郑斌毅.晶闸管新型冷却方式的研究与应用[J].华东电力，2012（7）：1262-1264.

[7] 万和勇，李小国.提高大功率柜晶闸管散热效果的主要途径[J].电力电子技术，2002，36（2）：13-15.

[8] 蓝元良，汤广福，印永华，等.大功率晶闸管热阻抗分析方法的研究[J].中国电机工程学报，2007，27（19）：1-6.

收稿日期：2020-07-07

作者简介：张露松（1981—），男，贵州大方人，工程师，研究方向：高电压及电网防冰技术。

通信作者：蔡恒（1992—），男，江苏苏州人，硕士，工程师，研究方向：电力设备设计。

作者：张露松 许逵 余兴红 陈宇 蔡恒

大功率散热器优化设计论文 篇3：

客车冷却角传动系统设计方案

0引言

由于提升整车动力性等原因，发动机功率逐渐加大，加上排放法规的升级，特别是国六排放的实施，发动机散热量越来越大，原有常规的横置散热器冷却形式无法满足大功率发动机的散热需求。客车大功率发动机散热器的传动较多采用角传动电磁离合器方式，原有角传动轴布置方案为角传动安装在底盘车架，采用钢丝减振垫连接。根据市场反馈，该安装结构不牢靠，常由于钢丝减振垫开裂、支架松动等造成角传动器损坏，需开发新的安装结构解决问题。

1角传动结构市场问题反馈

某市场上运行的一批公交车，在车辆运行一段时间后，原车冷却系统采用的角传动电磁离合器安装有松动现象。用于角传动器安装的减振垫损坏，导致角传动器失衡，损坏风扇叶及散热器总成（图1）。

经过分析，原有结构中风扇角传动器采用钢丝减振垫安装在底座，底座又被固定于底盘车架上。钢丝减振垫本身为缠绕型，压缩及扭转后容易脱落或损坏;而角传动器安装底座直接安装于车架上，也容易受到发动机振动影响;另外再有风扇运转时的振动影响，最终导致角传动器高速运转时晃动严重，风扇叶就会与护风罩干涉而断裂。

2优化设计结构

2.1优化角传动与电磁离合器结构形式

常见的角传动电磁离合器有2种：一种为角传动器与电磁离合器一体式结构，为独立的2个部件;另一种为角传动器与电磁离合器分体结构。该车采用的是角传动器与电磁离合器一体式结构（图2），角传动器与电磁离合器集成于一体，电磁离合器布置在角传动器的输入端。这种一体式结构的质量较大，对安装支架的结构要求较为严格，对安装减振垫的刚度及硬度要求匹配也比较严格。

为了避免大质量角传动器的安装影响，重新优化角传动布置结构，调整为角传动器与电磁离合器分体结构（图3）。电磁离合器与角传动器分离，为2个独立的安装部件。电磁离合器与中间过渡皮带轮集成在一起，可将传动力提前切断。

发动机起动时，离合器是处于分离状态，传动到角传动器部分是永磁铁力作用下的低速转动，因此受力很小、较柔和，对齿轮箱的冲击振动较小，大大提高角传动器和传动轴的运行寿命，而减少了冲击振动的风扇运行也较为平稳。

2.2角传动器整车安装结构优化

根据现有车型的市场反馈故障分析，导致风扇断裂甚至散热器损坏的原因是钢丝减振垫缠绕结构不可靠，减振性能也没有橡胶垫隔振效果好。由于實车散热器结构及强度的影响，无法把角传动器集成于散热器一体式安装，该情况下，角传动器只能维持单独安装于底盘车架上。

另外受风扇启停及运行的扭矩影响，应避免角传动器产生的振动传导于整车上，也避免发动机振动直接传递给角传动器，角传动器安装支架需要安装减振垫。同时，针对车辆的售后，为了便于维护人员操作，需要重新开发新的橡胶减振垫替代钢丝垫进行安装，结构形式如图4所示。

减振垫的选用及安装要求较为严格，其安装间距也不宜太小，根据角传动器厂家安装推荐，角传动器输出轴向减振垫安装间距不应小于125mm，空间允许的情况下可适当加大安装间距，保证角传动器运行平稳。该车方案为更换橡胶减振垫的同时，优化了底座安装支架，实车更改后暂无异常问题反馈。

2.3集成于散热器一体式结构推荐

针对市场反馈的问题，逐一排查我司其他车型安装，后续优化为角传动电磁离合器安装于散热器本体上，组合一个散热总成。然后整个散热总成安装于整车上，可以有效利用散热器本身的减振垫进行减振（图5）。对角传动器来说，减少减振垫的安装，可避免性能不佳或者减振垫老化影响角传动器本体的运行，避免造成风扇磨框、风扇损坏或护风罩损坏等现象。即优先推荐采用该种布置结构。

3结论

后置客车大功率发动机进行布置时，由于整车发动机舱的空间限制，散热总成只能采用纵向布置，此时风扇的传动装置需采用角传动冷却形式。通过市场的反馈，角传动器集成于散热器一体式布置结构较为优化，运行可靠平稳，为后续新设计车型提供参考。

作者简介：

陈瑞林，本科，工程师，研究方向为客车设计。

作者：陈瑞林