CN107635383A - 一种适用于大功率模块的散热器 - Google Patents

Abstract

一种适用于大功率模块的散热器，主要由散热底板和设置在散热底板上的若干散热翅片组成，散热底板的顶面为接触面，通过散热基板与大功率模块紧密接触，位于散热底板中心部位的散热翅片为中心翅片，其余散热翅片以该中心翅片为中心，厚度向外逐渐变薄、间距逐渐变稀，所述散热底板的厚度为中心翅片厚度的两倍。本发明通过将散热翅片设置成以中心翅片为中心，厚度向外逐渐变薄、间距逐渐变稀的结构，以及将散热底板的厚度设为中心翅片厚度的两倍，有效解决了现有散热器散热结构中心温度过高、两边温度较低的技术问题，提高了散热器的水平与垂直热传导能力，使得散热器的中心温度接近于散热器的边缘温度，加快了整体结构的散热速度和散热效率。

Description

一种适用于大功率模块的散热器

技术领域

本发明涉及工业传动领域中大功率变流器的大功率模块，具体讲是一种适用于大功率模块的散热器。

背景技术

现阶段，大功率模块的散热主要采用散热风扇与翅片散热相结合的方式进行，翅片散热的原理主要是依靠增大散热器与空气的接触面积来增强对流效果，从而实现功率模块的散热。

目前，散热器中的翅片多采用翅片的厚度相同、翅片间的间距相等的设计方案。这种方案的优点在于散热器加工制造简单，但存在中心温度过高、两边温度较低的缺陷，严重影响了散热器的利用率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种适用于大功率模块的散热器，解决散热器散热结构中心温度过高、两边温度较低的技术问题，同时能够加快整体结构的散热速度和散热效率。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的适用于大功率模块的散热器，主要由散热底板和设置在散热底板上的若干散热翅片组成，散热底板的顶面为接触面，通过散热基板与大功率模块紧密接触，其中，位于散热底板中心部位的散热翅片为中心翅片，其余散热翅片以该中心翅片为中心，厚度向外逐渐变薄、间距逐渐变稀，所述散热底板的厚度为中心翅片厚度的两倍。

本发明所述的一种适用于大功率模块的散热器，其中，中心翅片的厚度为5～7mm。

本发明所述的一种适用于大功率模块的散热器，其中，相邻散热翅片的厚度比为0.7～0.9，最薄散热翅片的厚度不低于2mm。

本发明所述的一种适用于大功率模块的散热器，其中，相邻散热翅片的间距比为1.1～1.5，相邻散热翅片的间距最大值不超过20mm。

本发明所述的一种适用于大功率模块的散热器，其中，散热翅片的高度均相等，高度为中心翅片厚度的6～8倍。

采用以上结构后，与现有技术相比，本发明一种适用于大功率模块的散热器具有以下优点：与现有技术散热器中散热翅片的厚度和间距均相等不同，本发明通过将散热翅片设置成以中心翅片为中心，厚度向外逐渐变薄、间距逐渐变稀的结构，以及将散热底板的厚度设为中心翅片厚度的两倍，有效解决了现有散热器散热结构中心温度过高、两边温度较低的技术问题，提高了散热器的水平与垂直热传导能力，使得散热器的中心温度接近于散热器的边缘温度，有效地降低了散热器中心的最高温度，同时加快了整体结构的散热速度和散热效率。

附图说明

图1是本发明一种适用于大功率模块的散热器的结构示意图；

图2是本发明散热器的有限元热分析流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明一种适用于大功率模块的散热器作进一步详细说明：

如图1所示，在本具体实施方式中，本发明一种适用于大功率模块的散热器，主要由散热底板4和设置在散热底板4上的若干散热翅片5组成，散热底板4的顶面为接触面，通过散热基板与大功率模块3紧密接触，位于散热底板4中心部位的散热翅片5为中心翅片6，其余散热翅片5以该中心翅片6为中心，厚度向外逐渐变薄、间距逐渐变稀，散热底板4的厚度为中心翅片6厚度的两倍。

中心翅片6的厚度为5～7mm，相邻散热翅片5的厚度比为0.7～0.9，最薄散热翅片5的厚度不低于2mm；相邻散热翅片5的间距比为1.1～1.5，相邻散热翅片5的间距最大值不超过20mm；所有散热翅片5的高度均相等，高度为中心翅片6厚度的6～8倍。这种结构使得散热效率和散热速度的效果更好。

本发明通过合理设计散热翅片间的疏密程度、中心翅片的厚度和散热底板的厚度，解决了现有的散热器散热结构中心温度过高、两边温度较低的技术问题，提高了散热器的水平与垂直热传导能力，使得散热器的中心温度接近于散热器的边缘温度，有效地降低了散热器中心的最高温度，从而提高大功率模块的工作性能，同时加快了整体结构的散热速度和散热效率。本发明这种新型结构的散热器有助于推动大功率模块在中高压交流调速领域，特别是在无刷双馈电机调速系统领域中的应用。

由于本发明这种散热器的结构比较复杂，利用解析法求解会很难实现。对于这种实际系统中存在复杂边界条件而无法求出其解析值的情况，因其受的负载相当多，理论分析往往很难进行，想要对其进行分析，必须先简化结构，再采用有限元分析进行求解。

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下以ANSYS有限元分析软件(该软件为市售软件)为例，并结合图2对本发明作进一步详细说明。

具体实施的步骤如下：

步骤1：热分析问题的简化。考虑到大功率模块与散热器之间接触界面都需要导热胶或导热银浆等材料进行粘结，使得接触空隙较小从而可以忽略不计，因此可认为大功率模块与散热器之间接触界面之间的热阻为0。由于散热器中热耗散的主要方式是热对流，热辐射相对热对流作用很小，因此，模型热量通过热传递耗散到外界系统过程中忽略热辐射的作用，一般只考虑热对流和热传导作用；

步骤2：在ANSYS软件中设定计算过程中的所有参数的单位均为国际制标准单位；

步骤3：采用SOLID70热分析单元构建大功率模块与散热器，并在该单元中设定包括热导率、比热容、对流换热系数、生热密度等参数；

步骤4：在设置该单元后，采用自上而下的方法先建立实体三维模型，即先建立实体的大概模型，再对细节进行“雕琢”得到接近于实体的三维模型；

步骤5：采用自由网格划分对LED三维模型进行划分，但需要注意的是设置三维模型的单元数量不能太大；

步骤6：建立与散热器热分析相关的导热微分方程：

其中：

式中V_x，V_y，V_z为媒介传导速率，p、c分别为路灯散热体的密度和比热容；T为散热器温度；x，y，z为空间三维坐标系；为单位时间内单位体积内热源的生成热量；

步骤7：在模型中设定热平衡的微分方程为：

步骤8：设置散热器外表面与周围空气之间的对流换热的边界条件为：

q_n＝h(t_w-t_f)

式中，q_n垂直于表面的热流，t_w、t_f分别为边界处和环境的温度，散热器的对流换热系数h为常数。

步骤9：在模型中设定散热器瞬态平衡的热传导控制方程为：

式中，[C]为比热矩阵；[K]为传导矩阵，包含导热系数和对流系数；{T}为节点温度向量；为温度对时间的导数；[Q]为节点热流向量；求解以上方程可得到散热器内的温度分布及随时间的变化。

步骤10：设计好有限元热模型后，根据图1所示的结构，将影响散热器散热性能的三个不同参数作为正交试验的因素，三个因素分别为散热器的中心翅片的厚度、散热底板的厚度以及四种不同疏密度的翅片散热器，每个因素取四个水平，其中散热器的中心翅片的厚度四个水平分别为：5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm；散热底板厚度为中心翅片的两倍，相邻散热翅片的厚度比为0.7、0.8、0.9；相邻散热翅片的间距比为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5；所有散热翅片高度为中心翅片厚度的6、7、8倍。并以模型的最高温度为指标，采用正交表进行分析；

步骤11：待正交分析结束后，形成散热器中心翅片的厚度对试验指标的极差分析表、散热底板的厚度对试验指标的极差分析表和不同疏密度结构散热器对试验指标的极差分析表，通过上述三个分析表获取最优参数。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种适用于大功率模块的散热器，主要由散热底板(4)和设置在散热底板(4)上的若干散热翅片(5)组成，散热底板(4)的顶面为接触面，通过散热基板与大功率模块(3)紧密接触，其特征在于：位于散热底板(4)中心部位的散热翅片(5)为中心翅片(6)，其余散热翅片(5)以该中心翅片(6)为中心，厚度向外逐渐变薄、间距逐渐变稀，所述散热底板(4)的厚度为中心翅片(6)厚度的两倍。

2.根据权利要求1所述的一种适用于大功率模块的散热器，其特征在于：所述中心翅片(6)的厚度为5～7mm。

3.根据权利要求2所述的一种适用于大功率模块的散热器，其特征在于：相邻散热翅片(5)的厚度比为0.7～0.9，最薄散热翅片(5)的厚度不低于2mm。

4.根据权利要求3所述的一种适用于大功率模块的散热器，其特征在于：相邻散热翅片(5)的间距比为1.1～1.5，相邻散热翅片(5)的间距最大值不超过20mm。

5.根据权利要求4所述的一种适用于大功率模块的散热器，其特征在于：所有散热翅片(5)的高度均相等，高度为中心翅片(6)厚度的6～8倍。