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1、 电源系统可靠性热设计与热分析实验实验报告电源系统可靠性热设计与热分析实验班级学号姓名实验时间2011/10/21目 录1.实验目的12.实验仪器13.实验原理13.1.电源系统组成及工作原理13.1.1.电源系统设计要求13.1.2.电源系统组成及工作原理13.2.功率器件的降额设计13.3.电源系统的热设计13.4.功率器件散热器的优化设计13.4.1.散热器的特性13.4.2.散热器优化设计13.4.3.散热器的优化实施13.5.Qfin软件简介14.实验内容与测试数据14.1.实验内容14.2.器件参数14.3.实验步骤14.3.1.电路热测量及计算14.3.2.Qfin软件优化散热器
2、15.实验结果分析与总结16.实验心得体会1191. 实验目的在航空航天设备中，功率器件是大多数电子设备中的关键器件，其工作状态的好坏直接影响到整机可靠性。功率器件发热量大，温度高，一般仅靠器件外壳散热难以满足器件的温度要求，需要合理安装散热器来辅助散热。传统的方法是根据功率器件的功耗及形状、尺寸大小来选择散热器，并没有考虑散热器的优化设计。本实验课在进行热设计理论研究的基础上，利用散热器优化软件提出了散热器优化设计方案，从工程实用角度出发，根据航空航天设备体积小重量轻的要求，提出了功率器件散热器工程优化思想，即在满足散热要求的前提下综合考虑散热器的体积、重量和成本。以散热器质量为优化目标，达
3、到功率器件与散热器的最优匹配。电源系统可靠性热设计与热分析实验以电源系统为依托，对其中最关键的功率器件进行热分析，并对功率器件选用的散热器进行优化设计从而达到功率器件与散热器的最优匹配，再对优化后的散热器进行测试验证和评估，这也为同学今后在走向工作岗位的时候掌握功率器件热设计和散热器优化提供工程实用的方法。2. 实验仪器本次实验中用到的实验仪器如表2.1所示：表 2.1 实验仪器表实验装置数量16路测温系统1非接触测温仪1万用表1微机及Qfin软件各13. 实验原理3.1. 电源系统组成及工作原理3.1.1. 电源系统设计要求输入电压： 220V电源输出： 220V 1A -220V 1A +
4、5V 1.5A电源内阻：0.1纹波：1mV输出具有短路保护功能，电源系统工作环境温度50。3.1.2. 电源系统组成及工作原理本次实验中用到的电源系统的原理图如图3.1所示：图 3.1 电源系统电路原理图电路主要由三大部分组成：即变压器，整流滤波电路，稳压电路。u 变压器：按照设计要求变压器的输出端共五个抽头，三条输出是双17V，另两条输出为10V输出。u 整流滤波电路：整流电路是由二极管构成的桥式整流电路、电容构成滤波电路。u 稳压电路：稳压电路采用稳压模块即：LM317、LM337和LM7805，辅助电路采用了大容量电解电容，有效地滤出了纹波。电源电路元器件参数如表3.1所示。表 3.1
5、2#电源系统元器件参数名 称编 号参 数备 注变压器T输入电压:220V输出电压:双17V,10V整流器T13AT23A电压调整器U1(LM317)结温: 0120U2(LM337)U3(LM7805)结温: 0125电阻器R011kR021kR13.3k可变电阻器R23.3kR3100R4240R520,20W大功率电阻器R620,20WR710,15WR820,20WR920,20WR1010,15W电容器C12200F电解电容器C22200FC510FC610FC9220FC10220FC113300FC13220FC30.1FC40.1FC50.1FC80.1FC120.1FC140.
6、1F开关K10.4VAK20.4VAK30.4VA3.2. 功率器件的降额设计降额设计是将元器件进行降额使用，降额使用的器件可延缓和减小其退化，从而提高了器件的可靠性，从而也提高了系统的可靠性。降额设计就是使电子元器件的工作应力适当低于其规定的额定值，从而达到降低基本故障率，保证系统工作的可靠性。电子元器件的故障率对电应力和温度应力比较敏感，因此降额设计在军用电子产品可靠性设计中最常用的方法。各类电子元器件，都有其最佳的降额范围。此时，工作应力的变化对其失效率有明显的影响，设计上也容易实现，并且在设备体积、重量和成本方面不会付出太大的代价。在电子元器件的最佳降额范围内，一般可分成三个降额等级：
7、级降额：级降额是最大的降额，适用于设备故障将会危及安全，导致任务失败和造成严重经济损失的情况；级降额：工作应力减小对元器件可靠性增长有明显效益，适用于设备故障会使工作任务降级，或需支付不合理的维修费用。级降额：级降额是最小的降额，这种降额的可靠性增长效果和所花费的代价相比是最高的。适用于设备故障对工作任务的完成只有小的影响，或可迅速、经济地加以修复。在本电源系统设计中，通过改变集成稳压器的输出电流，从而达到降额使用。集成稳压调整器的降额准则如表3.2所示。表 3.2 集成稳压调整器的降额准则集成稳压调整器降 额 参 数降额等级级降额级降额级降额电源电压（最大绝对值）0.700.800.80输入
8、电压（最大绝对值）0.700.800.80输入输出电压差0.700.800.80输出电流（最大绝对值）0.700.750.80最高结温（）80951053.3. 电源系统的热设计电子设备热设计的基本任务是：通过热设计在满足性能要求的前提下尽可能减少设备内部产生的热量；减少热阻；选择合理的冷却方式。热设计是利用热的传递特性，通过冷却装置控制电子设备内部所有电子元器件的温度，使其在设备内所处的工作环境条件下，不超过规定的最高允许温度的设计技术。电子设备热设计的目的就是要为元器件级、组件级、设备级创造良好的热环境，保证设备在规定的环境条件下按预定功能能够正常可靠工作。因此热设计就是要在充分掌握各种导
9、致热失效的参数的前提下，以较少的冷却代价获得高可靠的电子设备。热设计中冷却方法的选择a 自然散热b 强制风冷散热c 液体冷却d 蒸发冷却e 半导体制冷f 热管散热按照器件（设备）表面散热功率密度或体积发热功率密度，一般冷却方法优选顺序：自然散热、强制风冷、液体冷却、蒸发冷却。在本实验电源系统中，集成稳压器是发热量较大的关键器件，对其采用散热器自然冷却方式散热，以保障安全正常的工作。3.4. 功率器件散热器的优化设计功率器件是电子设备中发热较多的关键器件，一般需采用散热器以保障功率器件能安全正常的工作。以往的工程经验只是单纯从功率器件功耗和尺寸大小的角度，任凭经验粗略选择散热器，没有对散热器进行
10、优化设计，这样做的结果可能导致所选散热器的散热能力过盈或不足。散热器过盈，不但浪费材料、体积过大，而且重量过高这些都不符合航空航天设备重量尽可能轻，体积尽可能小的特殊要求；散热器散热不足，功率器件产生的热量不能及时的与周围环境进行热交换，器件温度过高不但器件可靠性降低，还可能烧毁器件。因此，本实验在热设计理论研究的基础上，提出了功率器件的热设计及散热器优化方案，即用建立热阻网络的方法，根据热阻初选散热器，在所选散热器的基础上，借助Qfin软件对初选散热器进行优化设计。所优化出来的散热器，不但重量较之前的散热器减轻了，而且散热器体积及散热器几何结构更为合理。从而最大限度的满足航空航天设备的要求。
11、3.4.1. 散热器的特性散热器的种类很多，最常见的功率器件散热器是型材散热器，设计中使用的散热器就是这种类型的散热器，该类散热器主要由两部分组成，基座和肋片。其主要几何参数包括肋片长度、肋片厚度、肋片高度、肋片数、基座长度、基座厚度和基座宽度等。热源传递到散热器上的热量，绝大部分是通过肋片传递到周围环境中。在散热器的选用或设计过程中，对基座的考虑主要注意两个方面：基座的强度和基座加工的难度，基座的厚度如果太薄，虽然可以减轻散热器的质量，但太薄的基座不能满足强度的要求，而且还不易于加工。所以，对散热器进行优化，一般不将基座厚度和肋片厚度作为优化变量。选择散热器需要考虑几个方面，即：安装散热器允
12、许的空间、气流流量和散热器的成本等。散热器热阻除了与散热器材料有关之外，还与散热器的形状、尺寸以及安装方式和环境通风条件有关。所以很难有精确的数学表达式能够用来计算散热器的热阻，而得到散热器的热阻通常采取的办法是实际测量。3.4.2. 散热器优化设计散热器优化设计的流程如图3.2所示：图 3.2 散热器优化设计流程图散热器热阻是选择散热器的主要依据。3.4.3. 散热器的优化实施经过上述方法选择的散热器，功率器件在散热器的辅助散热之下工作结温降至允许温度之下。保证了器件可靠安全的工作，但上述方法选择的散热器存在诸多缺点。体积大，比较笨重，而且成本高。在航空航天领域无法满足设备体积小、质量轻的要
13、求。解决航空航天领域这一要求，就是使功率器件与散热器的配套使用达到最优匹配。即当功率器件在安全结温内工作时，已优化的散热器散热面积应达到最优、重量最轻，同时能保证功率器件安全可靠工作。散热器的优化问题是一个有约束的多变量非线性问题。QFin软件中提供了多种优化目标的选择，对LM317所用散热器的优化。先以散热器质量最轻为优化目标；涉及到的可变化的变量就是散热器几何参数，包括肋片的厚度、高度、长度以及基座长度、宽度和厚度等，对这些参数给出可控制的范围即可得出质量最轻的散热器了。但是，这种理想的优化在实际工程应用中不太现实，有些优化后的散热器是不易于加工的。所以，实际工程优化中优化变量选取散热器易
14、于加工制造的几何参数，基座的尺寸一般不易改变，因此一般不考虑改变基座的几何参数，而选取肋片参数作为优化变量，比如散热器的肋片长度或者高度等。考虑到散热器的强度、加工方便以及功率器件的尺寸大小，肋片厚度如果太薄，其强度不够，同时也会增加加工难度。因此一般取优化变量肋片厚度大于1mm，基座长度要大于功率器件纵向长度以保证功率器件的正确安放。其它环境条件输入变量根据具体情况具体安排分析。对于航空航天领域某些设备的特殊要求，使用优化后的散热器要按照优化结果在散热器生产厂家定做，没有特殊要求的，选用最优散热器尺寸附近的散热器即可，但得遵循选大不选小的原则进行选择。3.5. Qfin软件简介Qfin软件是
15、从国外引进的散热器优化设计专用软件，是Fluent公司和ATT公司共同研制开发的散热器设计和优化专业软件。Qfin包含常用的多种类型散热器，热源和材料的模型库。用户可以调用或创建各种形状和类型的散热器或热源。它还提供了全局和局部等多种类型的边界条件，能够解决强迫对流、自然对流、幅射、定常和非定常等多种热物理模型。它还能够实现二维和三维直观的后处理结果，提供数值报告。它使用简单、快速，有针对性，同时易于集成到其他热设计软件中。用户入手快、方便实用、适于普遍推广。Qfin对于散热器设计和优化的变量如表3.3所示：表 3.3 散热器设计和优化的参数nFin thickness 肋片厚度n Fin h
16、eight 肋片高度n Number of Fins 肋片的数目nBase thickness 基座的厚度nExtrusion length 拉伸长度nHeat Source Load 热源选择nApproach Air Speed 空气流速nWeight散热器的重量等。Qfin软件采用了一些简化原则使建模较为简单，例如，Qfin软件对于热源的简化，忽略其厚度视作二维处理；对于散热器的建模，将肋片上的细小沟槽忽略不计。由前一典型功率器件实例的误差分析中可知，这些简化原则所带来的误差在要求范围内，能够满足工程要求。4. 实验内容与测试数据4.1. 实验内容（1）电源系统电路设计及性能测试；（2）
17、电源系统可靠性热设计及热分析；（3）功率器件的降额设计；（4）功率器件散热器的优化设计；（5）优化后散热器热性能的评估。4.2. 器件参数实验中用到的元器件参数如表4.1所示表 4.1 元器件参数表器件类型器件编号器件参数附注变压器T220V输入双17V，10V输出整流桥T13AT23A稳压块LM317结温范围：0120LM337LM78050125电阻R011KR021KR13.3K可变电阻R23.3KR3100R4240R52020W功率电阻R62020WR71015W器件类型器件编号器件参数附注电阻R82020W功率电阻R92020WR101015W电容C12200uF电解电容C2220
18、0FC510FC610FC9220FC10220FC113300FC13220FC30.1FC40.1FC50.1FC80.1FC120.1FC140.1F开关K10.4VAK20.4VAK30.4VA实验中用到的散热片规格如图4.1图4.2所示：图 4.1 DF、SRX-YDF系列散热器规格（优化前）图 4.2 DA、SRX-YDC系列散热器规格（优化后）散热器参数如表4.2所示：表 4.2所选散热器参数型号规格L（）有效面积()DF45450.0001584SRX-YDF45DA44440.0001654SRX-YDC444.3. 实验步骤4.3.1. 电路热测量及计算(1) 散热器优化前
19、 在未接入稳压电路时，用电压表分别测量出三路输出电压、。 接入稳压电路（设LM317稳压电路为第一路，其输入输出电压分别为和；LM337稳压电路为第二路，其输入输出电压分别为和；LM7805稳压电路为第三路，其输入输出分别为和）。 将三用表置为电流档，并将其串联到各路输入端，分别测量出三路输入电流Ii1、Ii2、Ii3。 、断开(降额状态)，调节、，使第一、第二路输出分别为+12V，-12V左右。10分钟后，分别测量稳压电路的三路输入电压、，三路的输出电压、，三个稳压器件的外壳温度、。 计算三路的输入功率Pi1、Pi2、Pi3和三个电阻的功耗Po1、Po2、Po3。 计算各稳压器的功耗P=Pi
20、Po 、闭合(未降额状态)，10分钟后，分别测量稳压电路的三路输入电压、，三路的输出电压、，三个稳压器件的外壳温度、。以上各步测得的实验数据如表4.3表4.4所示。(2) 散热器优化后将优化后的散热器实验板，接入到电源系统中。其它实验步骤同上、步骤。测得的实验数据如表4.5所示。表 4.3 散热器优化前降额实验数据、断开（降额）（V）（V）（）21.5-21.511.812.0-12.05.044.5647.5035.31Ii（A）Ii1Ii2Ii30.37-0.360.32PiPoP= PiPoPi1Pi2Pi3Po1Po2Po37.9557.743.7764.444.321.603.515
21、3.422.176表 4.4 散热器未优化降额前实验数据、闭合（降额前）（V）（V）（）20.1-20.111.1012.00-12.005.0050.5652.0640.13表 4.5 散热器优化后降额实验数据、断开（降额）+优化（V）（V）（）21.5-21.511.812.00-12.005.0053.2557.8843.19Ii（A）Ii1Ii2Ii30.36-0.360.32PiPoP= PiPoPi1Pi2Pi3Po1Po2Po37.747.743.7764.324.321.603.423.422.1764.3.2. Qfin软件优化散热器利用Qfin软件进行散热器的优化步骤为：（
22、1）建立初选散热器模型剖面；（2）在散热器剖面上建立热源模型；（3）设定散热器的环境参数及边界条件；（4）对散热器进行求解计算并得到初选散热器的报告和图表（见表4.6，图4.3图4.5），可将此结果与实际测量值进行比较；（5）对初选散热器进行优化设计，进行求解计算并得到优化散热器的图表和报告（见表4.7，图4.6图4.8），将此结果与实际测量值进行比较。表 4.6 优化前降额的输出报告QFin Report Assembly - General Filename : Description : New assembly Report date : 2011-7-15 Heat sink Pro
23、file : Case Study 12a Branches : 7 Blocks : 17 Elements : 1404 Materials : aluminum Surface color : 0.70 Length : 45.000 mm Orientation : Base horizontal with fins upwards Extrusion type : Regular uniform Average fin height : 20.000 mm Average fin thickness : 2.000 mm Average gap size : 13.200 mm Am
24、bient Conditions Air temperature : 26.50 C Surrounding wall temp : 26.50C Ambient pressure : 101.325 KPa Convection Details Convection type : Natural Radiation included : Yes Heat transfer coeff. : 9.26455W/m2 K Solver Options Maximum iterations : 5000 Minimum iterations : 500 Convergence criteria :
25、 1.0000 Relaxation factor : 1.20 Inner loops : 10 Solution - Date : 2011年10月21日 星期五 (19:46:14) Heat source 1 Description : LM317K Dimensions : 30.000 x 21.600 mm Location : Centered at 37.564,22.329 mm Orientation : Horizontal Average load : 3.52 Watt Base temperature : 48.23 C (21.63 C above ambien
26、t) Junction temperature : 56.67C Heat sink Thermal resistance : 6.066 C/W Maximum thermal resistance : 6.183 C/W Temperature avg. thermal resis. : 5.887 C/W Efficiency (f) : 0.97848 Average temperature of heat sink : 47.19 C (20.34 C above ambient) Heat sink surface area : 0.01836000 m2 Effective he
27、at sink surface area : 0.01833472 m2 Approximate heat sink mass : 0.04644 kg图 4.3 散热器优化前三维温度分布图图 4.4 散热器优化前二维温度分布图图 4.5 优化前瞬态分析图表 4.7 优化后降额的输出报告QFin Report Assembly General Filename : _AutoBuild1710.asb Description : Default assembly Report date : 2011-7-15 Heat sink Profile : 2youhua Branches : 11
28、Blocks : 29 Elements : 2024 Materials : aluminum Surface color : 0.90 Length : 44.000 mm Orientation : Base horizontal with fins upwards Extrusion type : Regular uniform Average fin height : 11.535 mm Average fin thickness : 5.000 mm Average gap size : 7.829 mm Ambient Conditions Air temperature : 2
29、6.50C Surrounding wall temp : 26.50 C Ambient pressure : 101.325 KPa Convection Details Convection type : Natural Radiation included : Yes Heat transfer coeff. : 11.07536 W/m2 K Solver Options Maximum iterations : 5000 Minimum iterations : 500 Convergence criteria : 1.0000 Relaxation factor : 1.20 I
30、nner loops : 10 Solution - Date : 2011年10月21日 星期五 (20:26:11) Heat source 1 Description : LM317K Dimensions : 30.000 x 21.600 mm Location : Centered at 29.793,22.509 mm Orientation : Horizontal Average load : 3.42 Watt Base temperature : 56.78 C (30.71 C above ambient) Junction temperature : 69.44 C
31、Heat sink Thermal resistance : 8.762 C/W Maximum thermal resistance : 8.853 C/W Temperature avg. thermal resis. :8.369 C/W Efficiency (f) : 0.97080 Average temperature of heat sink : 55.12 C (28.89 C above ambient) Heat sink surface area : 0.01108482 m2 Effective heat sink surface area : 0.01078923
32、m2 Approximate heat sink mass : 0.02838 kg图 4.6散热器优化后三维温度分布图图 4.7 散热器优化后二维温度分布图图 4.8 优化后瞬态分析5. 实验结果分析与总结（1）电路热测量及计算结果分析通过分析降额设计前后稳压器件的壳温数据（见表4.3、表4.4）可以看出，降额后稳压器件的壳温降了5-7。这对于延长该器件的使用寿命是很重要的。通过分析散热器优化前后稳压器件的功率和壳温数据（见表4.3、表4.5）可以看出，优化前后稳压器件的功率基本没有发生变化，但是优化后散热器的中心温度较优化前散热器的中心温度高了5-7。但从直观上来看，优化后的散热器所占的空
33、间明显减小。（2）Qfin软件仿真结果分析通过Qfin软件的仿真计算得知优化前散热器的质量为0.04644 kg，优化后的散热器的质量为0.02838 kg。综合上面的分析结果可知，尽管优化后中心温度较优化前的有所提高，但是严格的控制在功率器件的散热要求的范围之内的，相对于优化前的散热器来说，它的质量减轻了很多，结构也更加的合理，这对于航空航天领域电子产品的设计来说是十分重大的改善，所以优化后的散热器比优化前更加合理。优化后的散热器的散热效率有所降低，这一点可以通过优化前后的瞬态分析图得知：优化后瞬态分析图中温度的变化率较快，说明其散热速度慢，不能及时有效散热。在实验中软件模拟结果与实际测试结
34、果有较大的差值，这是因为影响散热器散热性能的因素很多，主要有：接触热阻、功耗、辐射以及环境温度。在不同的工作状态下，散热器的散热效果不同，这对散热器的选择和优化有很大的影响，例如，所选散热器在高温环境下可能达不到功率器件的散热要求，从而导致器件不能安全可靠地工作，甚至损坏器件。对于本组的实验中产生的误差我觉得有以下几点原因：（1）测温仪触头与LM317接触不够好。经过胶布的多次粘连并且加热，LM317上面有一层粘状物，影响了温度的传递，应该定期清理LM317上面的污物。随着温度的升高，胶布的粘性降低，导致连接松动。（2）利用Qfin软件建立散热器模型剖面时需要测量散热器尺寸，因为散热器连在电路
35、板上，所以测量有较大误差，导致Qfin软件中的模型与实际散热器有一定差距，不能精确反映真实数据。实验室应该提供散热器的精确尺寸和其他参数，这样进行仿真会比较接近真实情况。（3）Qfin软件在仿真过程中将器件直接传递出的那部分热量忽略不计，这也会使得仿真值大于实际值。6. 实验心得体会通过这次实验，我掌握了散热器热阻的计算，学会了对热源进行功率分析，选用合适的散热器，并根据实际条件对散热器进行优化，包括提高散热效率，降低散热器质量和所占用的体积等。通过应用Qfin软件，我们可以预先对热设计进行模拟，并为进一步优化提供了极大的方便。除了这些我还有以下一些体会：（1）团队合作很重要。本次实验有硬件测
36、试还有软件仿真，我们小组共有三名成员，在进行硬件测试的时候有时需要三个人一起工作才能完成，有时则需要一两个人，为了提高实验效率，我在进行硬件测试的空闲时间里熟悉了Qfin软件的使用，这样在完成硬件测试后提高了软件仿真的效率。（2）做事要有耐心。用非接触测温仪测LM317K温度时，虽然温度已经接近稳定，但是还有小幅增长，我们组成员没有再耐心等其达到稳定，导致我们测出的温度与Qfin软件仿真结果有2左右的差距，没有其他组的数据精确。（3）做科研光靠经验是不够的，要有科学的理论分析为依托。功率器件是电子设备中发热较多的关键器件，一般需采用散热器以保障功率器件能安全正常的工作。以往的工程经验只是单纯从
37、功率器件功耗和尺寸大小的角度，任凭经验粗略选择散热器，没有对散热器进行优化设计，这样做的结果不但导致所选散热器的散热能力可能过盈或不足。散热器过盈，不但浪费材料，体积过大，质量过高都不符合航空航天设备重量尽可能轻，体积尽可能小的特殊要求；散热器散热不足，功率器件产生的热量不能及时的与周围环境进行热交换，器件温度过高不但器件可靠性降低，还可能烧毁器件。本实验在热设计理论研究的基础上，提出了功率器件的热设计及散热器优化方案，即用建立热阻网络的方法，根据热阻初选散热器，在所选散热器的基础上，借助Qfin软件对初选散热器进行优化设计。所优化出来的散热器，不但质量较之前的散热器减轻了不少，而且散热器体积及散热器几何结构更为合理。从而最大限度的满足航空航天设备的要求。特别是满足了可靠性的要求。
