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某大功率密封功放单元的热分析及优化

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２５ｍ 箱体 四周散热齿齿高 ８ｍ 厚 ２ｍ ． ５ ｍ， ｍ， ｍ 底部
散热器 齿 高 ４ ｍ， 厚 ２ｍ 问距 ３ｍ 根 据箱 ０ｍ 齿 ｍ， ｍ．
图ｌ 设 备 内部 器件 布局 示 意 图
体结构尺寸和设计要求 ， 选用 ２ 由德 国 Ｅ Ｍ公 司 个 Ｂ
生产 的 ４ １ＨＨ风 机 ， 装在 功放 模块 下方 ． ４４ 安
＝ ａＡＡｔ
大功率密封室外功放单元进行热分析 ， 并根据分析
结果 对设 备结 构进 行优 化设 计 ．
１ 问题 描 述
根据 项 目的要 求 ， 计 一 个 室 外 天 线 车天 线 叉 设
为基本计算式 ， 考虑到散热器散热效率 ， 公式演变为
∥＝ａ ０ Ａｎ Ａｔ
其 中 ， 为 热 功 耗／ ； 为 对 流 表 面 换 热 系 数／ Ｗ （ ・ Ｗ ｍ～ ・ ） Ａ 为 散 热 器 筋 表 面 温 度 与 空 气 ｃ ；ｔ 温 差／Ｃ；／ 散 热 器 效 率 ， 。＝ ｃ ｒ 。为 叼 ， ＝ ｍ
０ 引 言
大 功率 电子 设 备 发 热量 大 ， 热 设计 的 好 坏将 其 会 直 接影 响 到系 统 的 可靠 性 ¨ ， 密 封单 元 尤 是 如 Ｊ对
电子设备失效的原因中有 ５ ％是温度超过规定值． ５
１ ０℃法 则 给 出的 电子 元 器 件 的失 效 率 随 温 度 增 加 的变化 规律 ， 明 了热 设 计 在 电子 结 构设 计 中是 不 说 可忽视 的环 节 ． 防止 电子 元 器 件 的 热 失效 是 热 设 计
３ 热ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ计仿 真过程
３ １ 建 模 ．
在 Ｉ ｐｋ ｃ ａ 软件 中建立设备热分析模型 ， ｅ 设备 的 箱体为 ６ Ｂｏｋ铝块 ， 个 ｌ ｃ 箱体 中电源模块有 ８个热 源， 均分布在电源壳体 中， 发热 比较均匀 ， 模拟 为发
热 铝块 ； 功放 模块 由于有 １ 主要 发热 元件 ， 为铜 个 且 壳 体 ， 以模 拟 为 铜 块 上 部 有 一 发 热 源 的 结 构 ； 所 其
传统的设计 大多按照 经验公式估算设 备 的温 度或参照已有的设计 ， 但是这种方法不能准确计算 设备的温度分布 ， 可能导致某些大功率器件 的温度 失效 ， 而且也不适应设备小型化的需求． 目前 ， 为缩 短产品的研 制周期 ， 高市场竞 争力 ， 提 热与流体模 拟的热分析技术 已逐 步成 为 电子设备 热设计 的主
款专业的电子产 品热分析软件 ， 是集建模 、 网格 生 成、 求解和后处理于一体 的软件 ， 可求解 多种 物理
模型（ 括稳态 、 态分析 ， 流、 流 ， 迫对 流、 包 瞬 层 湍 强 自然 对流 、 合对 流换 热 以及 辐 射 固体传 导 ）４５． 混 ［－］ Ｉｅａ 常 流 行 ， 将 Ｉｅａ 用 于大 功 率 电 子设 ｃｐｋ非 但 ｃｐｋ应 备 ， 其是 密封 单 元 的 热 分析 ， 少有 报 道 ． 究 证 尤 还 研 明该 软件 所得 的数 值 模 拟 结 果 与 实 验值 非 常接 近 ， 鉴 于此 ， 文 拟 根 据 工 程 实 际 ， 用 Ｉｅａ 本 利 ｃｐｋ软 件 对
第２ ６卷 第 ４期 ２１ ０ １年 ８月
郑 州 轻 工 业 学 院 学 报 【自 然 科 学 版 ）
ＪＵ Ｎ Ｌ Ｆ Ｈ Ｎ Ｚ Ｏ ＮＶ Ｒ ＩＹＯ Ｈ Ｄ ＳＲ （ ａ ｒ ｃ ｎｅ Ｏ Ｒ Ａ Ｅ Ｇ Ｈ ＵＵ ＩＥ Ｓ ＦＨＧ ＴＩ ＵＴ Ｙ Ｎ ｔａ Ｓｉ ｃ） Ｏ Ｚ Ｔ Ｎ ｕｌ ｅ
其散热量也会随之显著增加． 采用低热阻 的散热 故
片则 是增 大 表 面积 的 常 见 设 计 方 法 ． 时 ， 热 片 此 散
的温度与电子设备 机箱表面 的温度几乎相等， 散逸 到大气中的热量增 加值与表 面积 的增 加值 近似成 正 比［ － ６ ］
余器件 由于发热量小 ， 建模时对 其发热情况不予考 虑． 底部散热齿和箱体外壁散热 齿用具有一定厚度
的温度极 限而发生故 障甚 至失效． 有资料 表 明 ， ｊ
收稿 日期 ：０ １ ３—１ ２ １ —０ １
’
作者 简介 ： 张丽敏 （ ９ ６ ） 女 ， １７ 一 ， 河南省濮 阳市人 ， 中国电子科技 集团公 司第二十七研 究所 工程 师 ， 硕士 ， 主要研 究方向为
电子 产 品 结 构 及 热 设 计 ．
界条件和模型的材料性能参数及热源功率． 模型 的
初 始 加 载 条 件 和 边 界 条 件 在 点 击 Ｐｏｌｍ ｓｔｐ ｒｂｅ ｅ ／ ｕ
Ｂ ｓ ａ ｍ ｔ ｓ ａ ｃ ｒ ｅ ｒ 出现的对话框 面板 中设置． ｉｐ ａ ｅ 气流 为
第 ４期
张丽敏 ， 某大功 率密封功放单元 的热分析及 优化 等：
ｈ ｇ — ｗ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｘ ｅ ｍｅ ｔａ ｄ ｌ ｎ — ｒ ｓ ｂ ｌ ｙ ｅ ｐ ｒ ｎ ｍｏ ｔ ｌ ． ｉｈ ｌ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｅ ｐ ｒ ｎ ｎ ｏ ｇ ｔ ｍ ｔ ｉ ｔ ｘ ｅ ｍｅ ｔｓ ｏｈ ｙ ｏ ｉ ｅ ａ ｉ ｉ Ｋｅ ｒ ｓ ｈ ｇ — ｏ ｒ ｓ ａｅ ｌ ｃｒ ｎ ｃ ｅ ｕｐ ｎ ； ｅ ａ ｅ ｉｎ；ｃ ｐ ｋ ｙ ｗｏ ｄ ： ｉｈ ｐ ｗｅ ｅ ｌ ｄ ｅｅ ｔｏ ｉ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｔ ｒ ｌ ｄ ｓｇ Ｉ ｅ ａ ｈｍ
稳态 紊 流 空气 ， 始 环境 温 度 ６ 初 ０℃ ． 备 模 型 中箱 设 体及 各 器 件 的材 料 及 发 热 功 率 在 各 模 块 建 模 时 设
网格 不 合 适 会 给 出 警 示 对 话 框 ， 击 Ｃ ａｇ ａ ｅ 点 ｈｎｅｖｌ ｕ ａｄｍ ｓ ｎ ｅｈ自动调 整再 次 划 分 网格． 终 生 成 如 下 网 最
臂上使用的功放单元 ， 该功放单元 的总发热功率 约
为 ６２Ｗ ， 高工 作 环 境 温度 为 ６ ℃ ， ０ 最 ０ 内部 器 件 布
局如 图 １ 示 ． 所
／＿ 二６为散 热器 筋 厚／ ｈ为散热 器筋 高／ ｍ， ｍ．
，
Ｖ
，ＩＵ
．
经设 计 ， 备 的箱 体 外 形 ５０ｍｍ ｘ３０ｍｍ × 设 ６ ２
・
５ ６・
郑 州 轻 工 业 学 院 学 报 （自 然 科 学 版 ）
２１ ０ １年
要 方法 ．
个 风机 ， 速 散 热 齿 附 近 气 流 流 动． 种 设 计 结 构 加 这 简单 、 易于 加工 ， 是热 设计 散热 的首选结 构 ．
Ｉｅａ 由美 国 Ｆｕｅ软 件公 司设 计 开发 的一 ｃｐｋ是 ｌｎｔ
ＺＨＡＮＧ — ｎ， ＺＨＵ ａ — ａ ， ＹＡＮＧ ・ｅ Ｌｉｍｉ Ｘｉ ｏ ｋ ｉ Ａｉｆ ｎ
（ ｈ ７ ｅ ａｃ ｓ ｏ Ｅ Ｃ，ｈｎｚｏ ５０ ５ Ｃ ｉａ Ｔ ｅ Ｒｓ ｒｈＩ ｔ ｆＣ Ｔ Ｚ ｅｇｈｕ４ ０ １ ， ｈｎ ） ２ ｅ ｎ．
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｗ ｉ ｉｈ ｐ ｗｅ ｅ ｌｄ ｅｅ ｔｏ ｉ ｅ ｕ ｐ ｎ ｓ ａ ｘ ｍｐ ｅ ｈ ｏ ｗａ ｅ Ｉ ｅ ａ ａ ｓ ｄ ｔ ｓｒ ｃ ： ｔ ａ ｈ ｇ — ｏ ｒｓ ａｅ ｌ ｃｒ ｎ ｃ ｑ ｉ ｍｅ ｔａ ｎ ｅ ａ ｌ ，ｔ ｅ ｓ ｆ ｒ ｃ ｐ ｋ ｗ ｓ ｕ ｅ ｏ ｈ ｔ ｔ ｅ ｍａ ｎ ｌ ｓｓｏ ｈ ａ ｉ ｏ ｔ ｃｕ ｅ ｄ ｓ ｎ Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｆｔ ｅ ａ ａ ｙ ｉ ， ｅｐ ｓｔ ｎ ｏ ｅ ｈ ｒ ｌａ ａｙ ｉ ｎ ｔ ｅ ｂ ｓ ｆｓ ｕ ｔ ｒ ｅ ｉ ． ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｈ ｅ ｕ ｔ ｏ ｎ ｓｓ ｔ ｏ ｉ ｏ ｆｔ ｓ ｒ ｇ ｓ ｈ ｌ ｈ ｉ ｈ
设备热功耗经箱体及 散热器传导至设备表面 ， 以对流换热方式散逸 到大气 中． 传导以傅里叶定 热
律 为基 本计 算公 式 ：
： 一Ａ
ａ
：Ａ
Ｄｌ
其 中 ， 为 导 热 板 厚 度／ Ａ 为 导 热 板 面 ｍ Ａ ６ ｍ， ，
为材 料 导 热 系 数／ Ｗ ・ （ ｍ～ ・ ） ｔ为 箱 体 内 表 Ｋ ，。 面温 度／【， 为箱 体及 散 热片 表面 温度／Ｃ． ｃ ｔ ＝ ￣ 对 流换 热 以牛顿 冷却公 式
Ｖ０ ． ６ Ｎｏ ４ １２ ．
Ａｕ ．２ １ ｇ ０ １
文章 编 号 ：０ ４—１７ （ ０ １０ ０ ５ ０ １０ ４ ８ ２ １ ）４— ０ ５— ４
某大功率密封 功放单元 的热分析及优化
张 丽敏 ， 朱晓凯 ， 杨 爱芬
（ 中国电子科技集 团公司第二十七研 究所，河南 郑州 ４０ １ ） ５ ０５
的 ｐａｅ ｌｔ板模 拟 ． 分析模 型 如 图 ２所 示 ． 热 ３ ２ 初 始条 件与 边界 条件 的设 置 ． 在建 立模 型 的 过 程 中 ， 需要 设 置求 解 所 需 的边
２ 热设计 思路
国外 同类 产 品 采 取 的 多 是 密 封 焊 接 加 散 热 齿
的结构 ， 笔者以此为参照 ， 兼顾加工经济性 的考虑 ， 将功放单元设计为焊接铝制密封箱体 ， 箱体底部焊 接散热器 ， 侧壁和顶部加散热齿． 散热器底部安装 ２
摘 要 ： 某大功 率 密封 功放 单元 为例 ， 其结 构设 计 的基 础 上 ， 用 Ｉｅａ 以 在 运 ｃｐｋ软件 进 行 热 分析 ， 据 分 根
析结果反复调整风机位置， 并调整散热齿的高度为 ８ ｍ． ０ｍ 高低 温环境试验和可靠性烤机试验证 实
了该 设 计 的可行 性 ．
关键 词 ： 大功率 密封 功放 单 元 ； 设计 ； ｅａ 热 Ｉ ｐｋ ｃ
鉴 于天 线叉 臂 安 装 空 间 的 限制 ， 备 最 大 设 计 设 尺 寸为 ５０ｍ ×３０ｍ ×２０ｍｍ， 功 率 密 度 可 ７ ｍ ５ ｍ ８ 热 达 ００ ｃ 考虑 到室 外 环境 的复 杂 性 ， 备 须 ．７Ｗ／ｍ ． 设 采用 密封 结 构 ． 于 热 流 密 度 较 大 的设 备 来 说 ， 对 仅 靠 自然对 流 和辐 射 冷 却必 然 会 导 致 设 备 的 热 失 效 ； 靠 自然冷 却 的 电 子 设 备 ， 果 机 箱 的 表 面 积 增 大 ， 如

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基于结构函数的大功率整流管封装内部热阻分析

基于结构函数的大功率整流管封装内部热阻分析

基于结构函数的大功率整流管封装内部热阻分析李汝冠;周斌;许炜;曾畅;廖雪阳【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2016(000)001【摘要】在对大功率整流管（以下简称器件）进行瞬态热阻抗测试的基础上，基于结构函数分析技术建立器件由热阻、热容组成的RC热模型，并结合器件的封装结构对其内部热阻进行分析，得到了器件各层材料的内部热阻分别为：芯片0.12℃/W、焊接层0.18℃/W、绝缘层0.21℃/W、管座0.67℃/W。

研究表明，利用结构函数分析大功率整流管内部热阻是一种可靠、有效的方法，对于器件封装结构的热设计具有重要意义。

%The inner thermal resistance of power rectifier diodes was analyzed by the structure function technique based on transient thermal impedance test. The thermal RC model consists of thermal resistance and thermal capacitance was constructed, and the thermal resistances of each layer of the devices were achieved, i.e. chip 0.12℃/W, die attach 0.18℃/W, insulation 0.21℃/W, case 0.67℃/W. It is demonstrated that structure function is a reliable and powerful tool for analyzing inner thermal resistance of power rectifier diodes, and it is significant for improving the thermal design of device packaging.【总页数】5页(P40-43,67)【作者】李汝冠;周斌;许炜;曾畅;廖雪阳【作者单位】工业和信息化部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室，广东广州 510610;工业和信息化部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室，广东广州 510610;工业和信息化部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室，广东广州 510610;工业和信息化部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室，广东广州 510610;工业和信息化部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室，广东广州 510610【正文语种】中文【中图分类】TN313.5【相关文献】1.基于结构函数理论的微通道冷板热阻研究 [J], 翁夏2.基于红外测温的GaN HEMT器件结构函数法热阻测量 [J], 翟玉卫;梁法国;吴爱华;郑世棋;乔玉娥;刘霞美3.基于结构函数的功率MOSFET器件热阻研究 [J], 肖超;王立新4.大功率LED低热阻封装技术进展 [J], 张哲5.结构函数在大功率LED热阻测试中的应用 [J], 高玉琳;吕毅军;陈忠因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

某光通信设备的热设计及热仿真分析

某光通信设备的热设计及热仿真分析

技术交流DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2023.03.015某光通信设备的热设计及热仿真分析［吴险峰 韦熹 尹钰田 程鲲 耿立冬］某光通信设备空间小、热耗高且分布集中，机箱内部光模块的散热环境严苛。

本文先对设备进行热设计并利用Icepak对其进行仿真分析，根据仿真结果提出2种优化方案，通过比较，增加风扇的针对性散热方式散热效果最好，光模块的最高温度由原方案的80.05℃下降至76.89℃，满足热设计要求。

吴险峰工程师，中国电子科技集团公司第三十四研究所。

韦熹工程师，中国电子科技集团公司第三十四研究所。

尹钰田助理工程师，中国电子科技集团公司第三十四研究所。

程鲲高级工程师，中国电子科技集团公司第三十四研究所。

耿立冬助理工程师，中国电子科技集团公司第三十四研究所。

关键词：Icepak 仿真分析强迫风冷导流板摘要1 引言随着光通信技术不断发展，光通信设备的集成度越来越高，功耗也随之越来越大，这使得设备内部电子元器件的热流密度急剧上升，大量实践表明，电子元器件的故障率随温度的升高呈指数增长，过高的工作温度将直接影响设备的稳定性和可靠性[1~5]。

目前，电子设备常见的散热方式包括自然冷却、强迫风冷、液冷、热电制冷等技术，也有相关的散热产品，如热管、均温板、冷板等，合理的选择散热方式和散热路径，是优化机箱散热结构的重要手段。

四川九洲电器集团有限责任公司的张庆军、李丽丹等利用搭建的风道阻力特性测试系统，通过测量流经系统的空气流量及对应的压力损失得到系统的阻力系数，为风扇的型号选取提供了依据[6]。

朱自清、吴柯锐等通过对元器件布局优化并进行热分析，结果表明机箱内部器件的温度分布明显改善，降低了关键器件的温度，同时也可以看出合理的结构设计对散热的重要性[7]。

中国电子科技集团公司第二十研究所的李兵强、刘新博等将某数据链设备的功放模块结构改进为一种由间接强迫风冷方式散热的结构，散热能力达到设计要求[8]。

MOS管热设计及发热分析详解

MOS管热设计及发热分析详解

MOS管热设计及发热分析详解MOS管热设计，发热分析MOS管作为半导体领域最基础的器件之一，无论是在IC设计里，还是板级电路应用上，都十分广泛，尤其在大功率半导体领域。

然而大功率逆变器MOS管，工作的时候，发热量非常大，如果MOS管散热效果不好，温度过高就可能导致MOS管的烧毁，进而可能导致整个电路板的损毁。

MOS管的热设计避免MOS因为器件发热而造成的损坏，需要做好足够的散热设计。

若通过增加散热器和电路板的长度来供所有MOS管散热，这样就会增加机箱的体积，同时这种散热结构，风量发散，散热效果不好。

有些大功率逆变器MOS管会安装通风纸来散热，但安装很麻烦。

所以MOS管对散热的要求很高，散热条件分为最低和最高，即在运行中的散热情况的上下浮动范围。

一般在选购的时候通常采用最差的散热条件为标准，这样在使用的时候就可以留出最大的安全余量，即使在高温中也能确保系统的正常运行。

做好MOS管的热设计，需要足够的散热片以及导热绝缘硅胶垫片才能实现。

mos散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金，黄铜或青铜做成板状，片状，多片状等，如电脑中CPU 中央处理器要使用相当大的散热片，电视机中电源管，行管，功放器中的功放管都要使用散热片。

通常采用散热片加导热绝缘硅胶的设计直接接触散热，如果MOS 管外壳不能接地，可以采用绝缘垫片隔离后再用导热硅脂散热。

也可以选用硅胶片覆盖MOS管，除了散热还可以起到防止电损的作用。

整个散热体系能使元器件发出的热量更有效地传导到散热片上，再经散热片散发到周围空气中去，使得器件的稳定性得到保障。

热设计之分析MOS管是电路设计中比较常见的器件，经常用在多种开关电路或者防反电路中，电流值从几个mA到几十个A。

来看看热方面的知识。

1、当MOSFET完全导通时，将产生I2RDS（on）的功率损耗2、I2RDS（on）的功率损耗将在器件内部或者外部产生温升3、MOSFET器件可能因温度过高而损坏一般MOSFET的结点温度都要保持在175°C以下，贴片MOSFET 的PCB的温度限值是120°C，由于 MOSFET 器件和焊接 PCB 处之间热耦合紧密，所以我们可以认为TPCB ≈ Tj，那么安全工作温度的上限将不再是 MOSFET的结点温度，而是 PCB 的温度（120 ℃）。

机械结构的热负荷分析与优化设计

机械结构的热负荷分析与优化设计

机械结构的热负荷分析与优化设计近年来，随着科技的不断发展，机械结构的热负荷分析与优化设计变得越来越重要。

在许多机械领域中，机械结构的热负荷对系统的性能和寿命有着至关重要的影响。

因此，对机械结构进行热负荷分析，以及在设计阶段进行热负荷的优化设计成为了工程师们的重要任务。

首先，我们来了解一下什么是热负荷。

热负荷是指机械结构在工作过程中所产生的热量。

机械结构在工作时通常会有各种能量转化，如机械能、电能等，这些能量多少都会转化为热能，导致机械结构产生热负荷。

如果机械结构长时间处于高温环境下，其性能和寿命都会受到影响。

因此，热负荷的分析与优化设计对于确保机械结构的安全可靠运行是非常重要的。

接下来，我们来探讨一下机械结构热负荷分析的方法。

机械结构的热负荷可以通过有限元分析等方法进行计算。

有限元分析可以将机械结构离散化为有限数量的网格单元，并通过求解热传导方程来计算结构的温度分布。

通过有限元分析，工程师可以了解机械结构在工作时的热负荷分布情况，为后续的优化设计提供依据。

在进行热负荷分析后，接下来就是热负荷的优化设计。

优化设计的目的是通过改变机械结构的设计参数，使其在保证性能的前提下尽量减小热负荷。

常见的优化设计方法包括材料选择、减小传热路径、提高冷却效果等。

例如，在材料选择上，选择导热性能良好的材料可以有效提高机械结构的散热效果；在传热路径上，通过优化结构设计，减小热传导路径的长度和横截面积，从而减小热负荷。

同时，设计冷却装置，如散热片、风扇等也是优化设计中的重要手段。

此外，还可以借助计算机辅助工程（CAE）软件进行热负荷的优化设计。

CAE 软件可以对机械结构进行热负荷分析，并提供优化设计的工具和功能。

通过CAE 软件，工程师可以对机械结构进行参数化设计和优化搜索，快速得到最优的结构设计方案。

最后，我们来总结一下机械结构热负荷分析与优化设计的重要性。

热负荷分析是确保机械结构安全可靠运行的重要手段，通过有限元分析等方法可以了解机械结构的热负荷分布情况。