1、 技术应用 技术应用 2023 年 第 44 卷 第 1 期 自动化与信息工程 39 本文引用格式：黄星星,李东铭,卫红,等.大功率微波电源散热优化设计J.自动化与信息工程,2023,44(1):39-45.HUANG Xingxing,LI Dongming,WEI Hong,et al.Optimal design of heat dissipation of high-power microwave power supplyJ.Automation&Information Engineering,2023,44(1):39-45.大功率微波电源散热优化设计 黄星星1 李东铭2 卫红1 侯
2、少毅1 （1.季华实验室，广东 佛山 528251 2.东方电气（广州）重型机器有限公司，广东 广州 510000）摘要：针对大功率微波电源功率损耗引起的机箱内部散热问题，设计强制水冷和强制风冷相结合的散热方案。首先，通过对机箱内部的结构、流场和热场的分析，进行大功率微波电源散热设计；然后，建立和简化大功率微波电源机箱三维模型；最后，利用 ANSYS 仿真软件进行流固耦合传热仿真分析，优化大功率微波电源的结构设计，满足其散热要求，解决发热器件的散热难题。关键词：微波电源；散热；ANSYS；流固耦合传热；仿真分析 中图分类号：TB771 文献标志码：A 文章编号：1674-2605(2023)0
3、1-0007-07 DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2023.01.007 Optimal Design of Heat Dissipation of High-power Microwave Power Supply HUANG Xingxing1 LI Dongming2 WEI Hong1 HOU Shaoyi1 (1.Jihua Laboratory,Foshan 528251,China 2.Dongfang(Guangzhou)Heavy Machinery Co.,Ltd.,Guangzhou 510000,China)Abstract:In view
4、of the internal heat dissipation problem caused by the power loss of high-power microwave power supply,a heat dissipation scheme combining forced water cooling and forced air cooling is designed.Firstly,through the analysis of the structure,flow field and thermal field inside the case,the heat dissi
5、pation design of high-power microwave power supply is carried out;Then,the three-dimensional model of high-power microwave power supply box is established and simplified;Finally,the fluid-structure coupling heat transfer simulation analysis is carried out using ANSYS simulation software to optimize
6、the structure design of high-power microwave power supply,meet its heat dissipation requirements,and solve the heat dissipation problem of heating devices.Keywords:microwave power supply;heat dissipation;ANSYS;fluid structure coupling heat transfer;simulation analysis 0 引言 随着电子信息技术的快速发展，电子器件的性能不断提高；
7、同时，单个电子器件的尺寸不断缩小，集成程度也不断提高，导致电子设备和器件的热流密度越来越高。根据美国气动航空电子研究协会的统计分析，55%的电子设备失效是由内部电子器件温度超标引起的1-2；并且随着工作温度的升高，晶体管失效率呈指数级增长3。因此，散热优化设计对保障电子设备和器件的安全可靠性是非常必要的4-5。大功率微波电源由于工作功率大、电离强度高、发热量大、输出功率稳定性要求高、连续工作时间长等特点，易产生局部高热量聚集6-7。本文借助ANSYS软件对大功率微波电源机箱内部的结构、流场、热场进行仿真分析，并根据仿真结果进一步优化大功率微波电源散热设计。1 建立模型 1.1 数值模型 大功率
8、微波电源机箱主要包括 AC/DC 模块、40 DC/DC 模块、散热器、前板、尾板及外壳等组件，示意图如图1 所示。图 1 大功率微波电源机箱示意图 如图 1 所示，大功率微波电源的 4 个 DC/DC 模块均匀固定在散热器上。经测算，大功率微波电源总发热量约为2 kW，主要集中于DC/DC模块中的IGBT模块和变压器。IGBT 模块和变压器通过导热硅脂与散热器铝基板粘连，并采用螺丝和压板紧固。DC/DC模块尾部装有2 台风扇，将常温空气吹入散热器的翅片区域，冷却翅片。散热器铝基板采用铝材质8，内有材质为铜的水冷铜管。水冷铜管通入恒温去离子水，冷却散热器铝基板。散热器结构如图2 所示。图 2
9、散热器结构示意图 为便于仿真分析，本文对散热器模型进行简化，去除对仿真结果影响不大的部件，仅保留铝基板、翅片、水冷铜管、风扇、DC/DC 模块。将 4 个 DC/DC模块简化为4 个IGBT 模块热源底座和4 个变压器热源底座，并定义为热源。其中，水冷铜管与铝基板之间、铝基板与翅片之间涂有导热硅脂。1.2 边界条件 利用ANSYS 仿真软件对散热器简化模型做预处理单元处理。ANSYS 预处理单元不仅可以修改模型，还可以定义材料属性、输入载荷、求解类型和各种边界条件。散热器简化模型设置的各种边界条件及输入参数为：1）整体计算区域选在大功率微波电源机箱外壳内，忽略机箱与外部空气的对流换热；2）IG
10、BT 模块与变压器简化为面热源附着在散热器铝基板表面；3）风扇简化为入口、出口，添加在计算区域边界，风扇入口流量为30 CFM，环境温度为25；4）冷却水流量为5 L/min，流速为1.87 m/s，入口水温设置为22；5）铝基板与翅片之间的导热硅脂厚度为0.1 mm，导热率为3 W/(mK)；6）简化流体管道结构，将流体通道及水冷铜管作为等截面圆考虑。散热器简化模型如图3 所示。图 3 散热器简化模型 1.3 网格划分 散热器简化模型网格划分如图4 所示。图 4 散热器简化模型网格划分示意图 铝基板 内部装有高密度翅片 水冷铜管 变压器热源底座 风扇 IGBT热源底座 散热器 DC/DC模块
11、 AC/DC模块 前板 尾板 外壳 冷却水流道 IGBT热源底座 变压器热源底座 风扇入口 翅片 背景网格（结构）流体管道网格（非结构）黄星星 李东铭 卫红 侯少毅：大功率微波电源散热优化设计 2023 年 第 44 卷 第 1 期 自动化与信息工程 41 由于流体管道比较复杂，采用致密的非结构网格可以保证网格过渡光滑、贴体。散热器简化模型采用非连续网格设置，背景网格为全模型的1/20，流体网格为3 mm，翅片网格为8 mm。网格即便进行了优化，但总数仍超过 100 万个。2 仿真分析 大功率微波电源由风冷和水冷共同散热。其中，风冷散热的主要部件是风扇和翅片；水冷散热主要依赖冷却水。因此，选取
12、冷却水流量、风扇入口流量、翅片厚度作为变量进行仿真分析。初始工况如表1 所示，每种变量分别选择4 个不同工况，具体参数如表2 所示。2.1 冷却水流量仿真分析 利用 ANSYS 仿真软件对冷却水流量（5 L/min、15 L/min、25 L/min、35 L/min）分别进行仿真分析，结果如图5 和表3 所示。表 1 初始工况参数 参数 数值 环境温度 25 热源总功率 2 kW 冷却水流量 5 L/min 入口水温 22 风扇入口流量 30 CFM 导热硅脂热导率 3 W/(mK)导热硅脂厚度（翅片）0.1 mm 翅片厚度 0.5 mm 表 2 各变量工况列表 变量 工况 1 工况 2 工
13、况 3 工况 4 冷却水流量/(L/min)5 15 25 35 风扇入口流量/CFM 10 30 50 70 翅片厚度/mm 0.5 0.9 1.2 2.0 (a)5 L/min (b)15 L/min (c)25 L/min (d)35 L/min 图 5 不同冷却水流量的仿真分析结果 42 表 3 不同冷却水流量下出水口温度 序号 冷却水流量/(L/min)冷却水管出口水温/1 5 26.8 2 15 24.7 3 25 23.2 4 35 22.8 由图5和表3可以看出：随着冷却水流量的增加，热源区域的最高温度约从 42 下降到 35；冷却水管出口水温从26.8 下降到22.8，但当冷
14、却水流量大于 15 L/min 时，热源区域最高温度和冷却水管出口水温下降较小，表明加大冷却水流量能提高散热能力，但在冷却水流量过大的情况下，冷却水未能充分换热即流走，没有起到更好的冷却效果。因此，考虑到散热效果及资源的应用效率，冷却水流量设定范围为515 L/min。2.2 风扇入口流量仿真分析 利用ANSYS 仿真软件对风扇入口流量（10 CFM、30 CFM、50 CFM、70 CFM）分别进行仿真分析，结果如表4、图6、图7 所示。由图6 可以看出：随着风扇入口流量的增加，吹入翅片区域的风速显著提高，约从2 m/s 线性增加到 14 m/s；但增大风扇入口流量并未明显扩大冷风覆盖面积。
15、表 4 不同风扇入口流量条件下的出水口温度 序号 风扇入口流量/CFM 出口水温/1 10 27.1 2 30 26.9 3 50 26.9 4 70 26.8 (a)10 CFM (b)30 CFM (c)50 CFM (d)70 CFM 图 6 不同风扇入口流量条件下的中间截面速度场云图 黄星星 李东铭 卫红 侯少毅：大功率微波电源散热优化设计 2023 年 第 44 卷 第 1 期 自动化与信息工程 43 (a)10 CFM (b)30 CFM (c)50 CFM (d)70 CFM 图 7 不同风扇入口流量条件下的模型温度分布云图 由图7 可以看出：随着风扇入口流量的增加，热源区域最高
16、温度和冷却水管出水口温度变化不大，分别约为 42 和 27。因此，此范围的风扇入口流量对散热效果影响较小，10 CFM 的流量足以满足使用要求。若风扇入口流量减小，风扇体积和内部风场引起的风噪声也会随之减小。2.3 翅片厚度仿真分析 利用 ANSYS 仿真软件对翅片厚度（0.5 mm、0.9 mm、1.2 mm、2.0 mm）分别进行仿真分析，结果如图8 和表5 所示。(a)0.5 mm (b)0.9 mm 44 (c)1.2 mm (d)2.0 mm 图 8 不同翅片厚度条件下模型温度分布云图 表 5 不同翅片厚度条件下的出水口温度 序号 翅片厚度/mm 出口水温/1 0.5 27.1 2 0.9 26.9 3 1.2 26.8 4 2.0 26.8 由图8 可以看出：随着翅片厚度的增加，热源区域最高温度和冷却水管出水口温度变化不大，分别约为 42 和 27。因此，翅片厚度对散热效果影响较小。考虑到加工难度，以及翅片过厚会减小翅片间空气流通的面积，增大流阻及风噪，翅片厚度选取范围为0.51 mm。3 优化设计 根据以上仿真分析结果，对大功率微波电源结构进行优化设计：1）综合考虑电源散