《电源系统可靠性热设计与热分析实验报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电源系统可靠性热设计与热分析实验报告（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 . 实验报告电源系统可靠性热设计与热分析实验班级学号实验时间2011/10/21目录1.实验目的12.实验仪器13.实验原理13.1.电源系统组成与工作原理13.1.1.电源系统设计要求13.1.2.电源系统组成与工作原理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.实验容与测试数据14.1.实验容14.2.器件参数14.3.实验步骤14.3.1.电路热测量与计算14.3.2.Qfin软件优化散热器15.实验结果分析与总结16.实验心得
2、体会1 / 1. 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与形状、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，达到功率器件与散热器的最优匹配。电源系
3、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微机与Qfin软件各13. 实验原理3.1. 电源系统组成与工作原理3.1.1. 电源系统设计要求输入电压： 220V电源输出： 220V 1A -220V 1A +5V 1.5A电源阻：0.1纹波：1mV
4、输出具有短路保护功能，电源系统工作环境温度50。3.1.2. 电源系统组成与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3.12#电源系统元器件参数名称编号参数备注变压器T输入
5、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C22200FC510FC610FC9220FC10220FC113300FC13220FC30.1FC40.1FC50.1FC80.1FC120.1FC140.1F开关K10.4VAK20.4VAK30.4VA3.2.
6、 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围，一般可分成三个降额等级：级降额：级降额是最大的降额，适用于设备故障将会危与安全，导致任务
7、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输入电压（最大绝对值）0.700.800.80输入输出电压差0.700.800
8、.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部所有电子元器件的温度，使其在设备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
9、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
10、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与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与散热器优化方案，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，而且散热器体积与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。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，
11、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
12、器的形状、尺寸以与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
13、器件在安全结温工作时，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；涉与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、长度以与基座长度、宽度和厚度等，对这些参数给出可控制的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
14、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、加工方便以与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、
