摘要：隨著我國電子科學技術的不斷發展，人們對于電子設備的性能、功率以及能耗等方面的要求也越來越高。其中，大功率器件作為電子設備的重要組成部分，其整體性能不僅會直接影響到電子設備運行的穩定性與可靠性，同時也會在一定程度上影響到大功率電子設備的散熱性能與實際能耗。但由于傳統的殼體散熱無法滿足大功率電子設備的散熱需求，因此就需要對其熱設計方案進行優化與創新。基于此，本文章主要針對大功率電子設備結構熱設計展開了深入的分析與探究。

　　關鍵詞：大功率;電子設備;結構熱;設計探析

　　在當前社會背景下，大功率電子設備結構的熱設計越來越重要的。這主要是因為功率器件是大部分電子設備的核心器件，其工作狀態會直接影響電子設備整體運行的可靠性。特別是對于功率較大的器件來說，由于其在實際運行過程中的發熱量較大，因此若僅依靠封裝外殼是無法滿足其具體的散熱需求的。在這種情況，相關工作人員就需要采用更為科學、合理的散熱與冷卻方法，設計出一種更為高效的散熱系統，以此來將電子元器件的溫度控制在正常的范圍之內，并且在熱源與外部環境間預留出一條低熱阻通道，以此來保證熱量可以及時的散發出去。

　　1案例分析

　　本文章以某工程大功率功放設備為例，要求其在溫度為55℃以下的環境中工作。同時，依據相關指標要求，要將此設備設計成鋁合金鈑金機箱。但受到空間的顯示，機箱尺寸設定為W×D×H=420mm×425mm×173mm。該機箱的元件主要包括如下幾種：(1)功放模塊1個，其耗散熱為600W，確保其穩定運行的基座溫度，最高不可超過87℃;(2)自帶散熱齒電源模塊1個，自帶散熱齒，其耗散熱為100W，確保該電源模塊可靠工作的溫度最高不可超過85℃;(3)隔離器、濾波器以及衰減器各1個，確保這些元件正常工作的溫度均為80℃;另外還包括多個接插件。

　　2大功率電子設備結構熱設計的要求和準則

　　2.1熱設計要求

　　第一，要保證熱設計在規定好的溫度范圍內運行;第二，確保熱設計中的環境均處于設備預設的環境內;第三，熱設計要保持在冷卻系統的溫度范圍內;第四，熱設計要滿足我國相關的標準要求。

　　2.2熱設計準則

　　(1)要根據散熱量的多少來對設備溫度進行有效的控制;(2)選擇恰當的熱傳遞形式。在正常情況下，熱傳遞要滿足設備對熱量的實際需求。在中等發熱過程中，多數情況下應該選擇對流冷卻形式，借助傳導與對流等方法來實現冷卻的目的，且不需要另外增設其他設備來完成冷卻工作[1];(3)在熱設計中，要高度重視設備的參數設置，例如溫度、熱阻及能耗等。其中，溫度參數的設置最為重要;(4)冷卻裝置的設計要簡潔高效，并且可以適應設備工作環境。(5)要重視設備而定大小、功耗、電路布置以及實際操作環境等多種因素，并在熱設計中進行綜合的考慮;(6)熱設計活動不可以單獨開展，而是應該與機械設計同時進行，以便設計人員對相關因素進行綜合的考量。

　　3結構熱設計分析

　　2.1選擇合理的冷卻方法

　　在對大功率電子設備結構實施熱設計時，首先要根據電子設備的實際情況選擇出最佳的冷卻方法。而冷卻方法的選擇與確定需要參考如下幾個因素，例如熱流密度、可靠性要求、溫升要求、設備尺寸、重量意義其經濟性與安全性，同時這也是選擇冷卻方案最為簡便、有效的方法。假設某電子設備的總熱耗為700W，要想將其安裝在規格為420mm×425mm×173mm的機箱里，熱流密度為0.1078W/cm2，將其溫升控制在25～32℃，工作人員就應該選擇強迫風冷散熱。這主要是因為強迫風冷散熱可以更加穩定的運行，維修保養工作也相對較為簡單，且整體投入成本也相對較低，因此屬于一種應用效果較為良好的冷卻方法，可以在電子設備的冷卻系統中廣泛的應用[2]，同時也是大功率器件所采用的主要冷卻方法。

　　2.2熱設計步驟

　　由于自身攜帶散熱器的強迫風冷散熱設計較為復雜，因此就要按照如下步驟來完成熱設計。首先，要對設備的結構、成本、風壓以及散熱效率等多種因素進行綜合的考慮，應用Icepak軟件仿真結果，合理設置散熱器結構的各項參數;其次，要根據發熱量，結合熱平衡方程來選擇風機;再次，要利用風機與設計十分合理的風道來實現對整機結構的熱設計;最后，要借助Icepak軟件來進行熱設計仿真，若最終選擇的元器件溫度超過了規定值，就要重新調整散熱器結構的相關參數，重新選擇風機，并重復上述步驟，直至最后熱設計方案可以將機箱內的器件溫度都控制在允許值以下，以此來實現，散熱系統的最優化。

　　2.3建模

　　由于電源模塊與功放模塊為此設備的主要發熱模塊為，因此在結構設計中，就要充分考慮隔離熱量與電磁屏蔽熱量，并在基礎上將元器件分為上下2層安裝在機箱內。其中，電源模塊要安裝在機箱下層緊挨機箱底壁位置處，而功放模塊、散熱器及其他模塊則應該安裝在機箱上層，上下層中間要使用厚度為2mm的隔板隔開，避免電源模塊對其他模塊產生不必要的電磁干擾，同時也不會讓電源模塊與功放模塊的熱量產生相互之間的影響[3]。除此之外，要在散熱器基板上合理安裝功放模塊、隔離器、濾波器以及其他模塊。其中，由于隔離器、衰減器以及濾波器的發熱量較小，且耐熱性較差，因此就要將其安裝在冷卻氣流的入口處;而由于功放模塊的發熱量相對較大，因此就要將其安裝在冷卻氣流的下游。這種散熱設計主要適用于電源模塊與功放模塊的強迫風冷散熱設計當中。

　　2.4散熱器設計

　　在設計散熱器時，首先要對電子設備的結構、成本、散熱效率、風壓以及工藝等要求進行全面的考慮。其次，在選擇散熱器肋片時，盡量以薄為宜，但也不可過薄，以免增加加工難度。同時，當確定散熱器外形尺寸后，肋片之間的距離越小，其熱阻也就越小，但若間距過小則會在一定程度上增加風阻，影響到散熱效率。另外，隨著肋片高度的增加，其散熱面積也會隨之增加，而此時的散熱量也會隨之增大。其中需要注意的是，針對等截面直肋，當其肋片高度達到一定程度后，其傳熱量就會停止增加。在這種情況下，若要進一步增加肋高，就會大大降低肋片效率，甚至會增大風阻。

　　通過綜合的考慮，本次設計方案決定選用翅片長度為300mm的鋁材散熱器，。同時，考慮到發熱模塊主要是功放模塊，其他模塊的發熱較少，因此就可忽略不計，進而確定將散熱器的肋高設計為不等高。除此之外，要借助Icepak軟件的trials功能，將肋片厚度、高度以及肋間距等一系列參數設為變量[4]，再利用define trials為這些變量賦上相應的值，并使用Icepak同時計算出厚度、肋間距、肋高為不同值時，各模型的求解結果。最后，通過不同求解結果的對比可以確定，當功放模塊肋高為50mm，其余模塊肋高為20mm，肋間距為6mm肋厚為2mm時，該設備結構可以為最優。

　　結束語

　　綜上所述，在節能降耗背景下，要想進一步提升大功率電子設備結構的熱設計水平，就要對電子元器件以及設備的傳熱方式進行科學的分析，對電子元器件的熱環境等相關因素進行綜合的分析。與此同時，相關工作人員也要對總熱阻、熱流與熱沉分配、電感以及電容等各項參數進行準確的計算，以此來確定出最佳的冷卻方案，優化大功率電子設備的散熱系統，促進我國電子經濟的可持續發展。

　　參考文獻

　　[1]鄧少文.大功率電子設備結構熱設計研究[J].電子測試，2018，(12)：20-21.

　　[2]魏強.熱仿真在電子設備結構設計中的應用研究[J].現代制造技術與裝備，2020，(4)：57-59.

　　[3]劉斌，牟長軍，王立，等.某電子設備整機結構熱設計[J].電子機械工程，2020，36(1)：34-37，41.

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