基于Icepak的电源插件散热仿真分析

李 昂，杨 诚，贾艺歌，李 丹，李 勇，侯荣彬，吴志强，黄文娜

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213）

0 引言

反应堆保护装置是核动力装置重要的安全设备，是保护系统的重要组成部分，主要用于监测选定的控制变量。当被监测的变量超过规定值时，保护装置触发安全驱动器触发功能，实现反应堆快速停堆或驱动专设安全设施，从而限制或减轻事故后果。电源插件主要是采用AC/DC电源模块，将可靠电源提供的220V交流电转化为+15V直流电源，从而为设备部分通道提供稳定可靠的+15V直流电压。电源模块在额定工作状态下会产生较大热量，使电源模块本身温度较高，电源模块长期处于高温状态下时，工作稳定性会受到一定影响，当温度超过元器件极限温度时，电源模块烧坏，则无法为其它通道的插件提供稳定可靠的+15V电压，此时需要+15V电压的插件无法正常工作，导致反应堆保护装置部分控制功能无法实现。因此，电源模块处于良好的散热状态，是保证电源插件和整个反应堆保护装置能够稳定工作的前提。电子设备热设计系统性能的好坏直接影响到电子设备的工作状态、工作性能以及工作寿命，解决电子设备过热问题是目前国内外电子设备热设计技术领域的研究热点之一[1]。文献[2]指出：随着电源模块逐步向小型化转变，电源模块的功率密度也随之增大，大量的热量如果不采用有效的散热措施进行散热，电源模块电路将有极高的热流密度，影响电路可靠性和寿命。文献[3]指出：随着温度的升高，电力电子设备的失效率会呈指数趋势增长，甚至在部分电气设备中环境温度每上升10℃，电气设备的失效率会出现1倍以上增长，当电源模块电路内部温度增长超过设计温度的极限值时，将导致元器件失效及故障，威胁电源模块后续相关插件的安全稳定运行。热分析研究基于传热学、有限元分析和流体力学。目前，热分析的方法主要分为解析法、数值模拟法、实验分析法[4,5]。文献[6]通过运用Icepak软件对机箱内部元器件散热问题进行仿真，并通过优化改进，实现了对元器件温度降低达10℃以上，提升了产品可靠性。文献[7]采用热仿真软件Icepak对某密闭机箱进行了热仿真，并对结构布局进行了优化，设计了有利于功率器件散热的结构形式。

本文采用SolidWorks软件建立电源模块和电源插件模型，利用ANSYS Icepak软件对电源插件的发热情况和散热性能进行数值模拟，模拟结果为提升电源插件的散热性能提供设计思路和理论依据。

1 电源插件三维模型建立

电源插件所用的AC/DC电源模块规格型号已经确定，并且电源模块配置了对应的散热片对其进行强化散热，插件、电源模块及电源模块散热片的结构尺寸所有参数均已知。在建模过程中，将电源模块简化为长：7cm，宽：5.2cm，高：2cm的长方体，散热片和插件模型采用SolidWorks软件根据实际尺寸参数按1:1比例建立AC/DC电源模块、电源模块散热片模型，通过SolidWorks软件将其与PCB板与插件盒进行装配，从而建立电源插件模型，建模过程中忽略发热量较小的元器件，从而简化插件模型，便于计算和分析插件内的温度分布。电源插件模型如图1所示，无散热片的电源插件结构如图1（a）所示，增加散热片的电源插件结构如图1（b）所示，同时增加散热片和散热孔后的电源插件模型如图1（c）所示。

图1 电源插件Fig.1 Model of Plug-in

2 电源插件热分析

电源插件热分析采用ANSYS软件对电源模块和插件进行有限元分析，通过模拟电源插件三维模块的温度分布和热应力分布，进而获得电源插件额定工作状态下的温度以及散热性能。

2.1 基本控制方程

数值计算依靠离散反应物质运动特性的守恒偏微分方程，获得计算结果。本过程所涉及的控制方程包括：连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程[8-10]。

1）质量守恒方程：

2）动量守恒方程：

3）能量守恒方程：

式中：u，v，w为X，Y，Z 3个方向的速度；Su，Sv，Sw为广义源项；Cp为比热容；T为温度；ST为粘性耗散项。

表1 不同电源插件模网格数Table1 Grid number of different power plug-in model

2.2 网格划分

由于电源插件模型在SolidWorks软件中建立，因而导入Icepak后，网格化划分采用Mesher-HD网格对模型进行网格划分，通过调整网格级数和非连续网格区域内的最大网格尺寸，从而保证网格贴体。当网格体积，网格偏斜度以及面对齐率均满足网格准则时，不同电源插件模型的网格单元数和网格节点数见表1。

2.3 电源散热性能分析

本文根据实际工作环境状态，环境温度设置为：20℃，环境压力为：101325Pa，采用湍流模型，给定AC/DC电源模块和其他发热器件的功耗，采用Icepak模块对电源插件散热性能进行模拟分析。电源插件的温度分布如图2所示。

当计算收敛后，根据模拟结果，增加散热片后AC/DC电源模块最高温度降低了3.41℃。对比图2（a）和图2（b）可以看出：增加散热器后，AC/DC电源模块和安装电源模块的PCB板的温度明显降低。但是，由于插件与外界的散热并没有增强，因而散热片仅能降低局部器件的温度，无法显著提升整个插件的散热性能。

对比图2（a）和图2（c）可以看出：增加散热孔后，电源插件外内部空间和所有器件温度均有所降低。对比增加散热孔前后的模拟结果可以得出：电源插件AC/DC电源模块最高温度降低10℃，DC/DC模块最高温度降低6.44℃，印制板最高温度降低10.08℃。因此，增加散热孔有助于提升插件整体的散热性能。

对比图2（a）和图2（d）得出：同时增加散热孔和散热片后，电源插件内部AC/DC电源模块、DC/DC模块、印制板以及插件内部空间温度均明显降低。因此，插件散热性能获得提升。

电源插件采用带有散热孔结构的外壳，提升电源插件整体的散热性能的同时，增加散热片强化AC/DC电源模块的散热。模拟分析增加散热孔和散热片后电源插件的散热性能，不同开孔率下的电源插件温度变化见表2。

计算收敛后，根据模拟结果可以得出：开孔率越高，自然对流散热越好，电源插件内部器件温度降低得越多，插件散热性能越好。但是，当开孔率超过0.5时，电源插件散热性能随开孔率增大提升缓慢。因此，继续提升开孔率对插件散热性能提升效果较小，所以针对电源插件最佳开孔率在0.5左右。

图2 电源插件内部器件温度分布Fig.2 Temperature distribution of the internal components of the power plug-in

表2 不同开孔率下插件内部器件温度变化Table 2 Temperature change of the internal components of the plug-in under different opening ratio

2.4 不同环境条件下电源插件散热性能分析

为验证不同环境温度下，增加散热片和散热孔的电源插件的散热性能，对电源插件在不同环境温度下的散热性能进行模拟分析，不同环境温度下电源插件内部器件和印制板温度的变化见表3。

计算结果可以看出：增加散热孔和散热片后的插件散热性能提升在不同环境温度下具有较好的一致性，因此通过增加散热片和散热孔能有效提升插件整体的散热性能，为电源插件散热性能优化提供参考依据。

3 结论

根据模拟结果可以看出：电源插件中AC/DC电源模块在额定工作状态时，发热较严重，增加散热片能有效降低插件内发热器件的温度；插件外壳增加散热孔能提升插件内部的整体散热性能；同时，采用安装散热片和增加散热孔的方式，可以显著提升插件的散热性能。

表3 不同环境温度下插件内部温度变化Table 3 The internal temperature of the plug-in changes under different ambient temperatures

1）增加散热片能降低电源插件内局部发热较严重器件的温度，只增加散热片后，电源插件内AC/DC电源模块温度降低3.41℃，其它器件温度变化较小。

2） 增加散热孔能有效提升整个插件的散热性能，插件内部元器件和印制板温度均降低，增加散热孔可提升电源插件整体的散热性能。

3）电源插件外壳的开孔率越大，自然对流散热性能越好，但当开孔率超过一定值后，继续增大开孔率散热性能提升效果较小。

4）同时采用散热片与较优开孔率的散热孔时，在不同环境温度下散热性能保持一致，具备良好的环境适应性。