大功率电源模块的散热设计

陈文鑫，景莘慧（东南大学南京210096）

摘要

    本文用传统的热设计理论及经验公式对电源模块内的四个50W 大功率管进行了散热设计，并应用分析软件Icepak 对理论计算进行了校核,并对方案进行了优化设计。

引言

    电源模块内有四个功率管（在同一平面上，分成两排），其两两间距为60mm，管径Φ20mm，每一功率管的发热功率为50W。周围环境温度：+50℃。要求设计一150mm×200mm 的平板肋片式散热器。

根据热设计基本理论，功率器件耗散的热量为

    Pc=Δt/RT （W） （１）

式中，Δt 为功率管结温与周围环境温度之差，℃；RT 为总热阻，℃/W；

    RTj 为功率管的内热阻，RTp 为器件壳体直接向周围环境的换热热阻，RTc 为功率管与散热器安装面之间的接触热阻，RTf 为散热器热阻。本文旨在尽量减小RTc 和RTf，使系统热阻降低，保证功率管结点温度在允许值之内。

任务分析

    功率管的温度控制，主要是控制功率管的结温。生产厂一般将器件的最高结温规定为90℃~150℃。可靠性研究表明，对于使用功率元件的电子设备长期通电使壳体温度超过100℃，将导致故障率大大增加。故要求功率管壳体温度，即散热器底板温度（先忽略安装时的接触热阻）应低于100℃。以下的计算中暂取100℃。

    常用散热器主要有叉指型和型材两种。对于叉指散热器，叉指向上对散热较为有利；而型材散热器则要求底板竖直放置。本设计中若采用叉指型散热器，则200mm×150mm 的底板占用水平空间较大，不利于PCB 板的排放，故采用型材散热器。型材散热器按照肋片的形式可分为矩形肋、梯形肋、三角形类、凹抛物线肋等，其中，矩形肋的加工方法最为简单，应优先考虑。又考虑到性价比及加工工艺性，故采用铝合金作为散热器的材料。

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