摘要：针对核电站机柜中使用的电源设备，采用有限元分析软件Anasys对其进行稳态热仿真，求解设备达到热平衡时的温度场，指出芯片温度过热的危险点。在此基础上，提出了降低芯片表面温度的方案并计算改进后设备的温度场。计算结果显示，附加散热器的方案明显的降低了芯片的表面温度，提高了设备的可靠性。
关键词：电源设备；热仿真；Anasys
0 引言
核电厂房使用的电源设备，要求其在高温状态下可以稳定的工作。其使用温度的范围达到0-55℃。电源设备在工作过程中产生大量的热量，出于可靠性方面的考虑，在特定的系统中，设备的冷却又只能以自然散热的方式进行。解决设备的散热问题是系统设计过程中遇到的难点问题之一。
通过Anasys软件对设备工作过程中的温度场分布进行计算。可以找到设备散热设计中的薄弱环节并指导技术人员对散热设计进行改进。
1 电源设备的结构组成
电源设备采用了标准机箱的结构，前、后、左、右、上、下六个表面使用不锈钢板材。上、下表面设计了散热孔，采用自然通风的散热方式。设备使用了1个变压器、2个整流桥、12个功率管和6个电容。整流桥和功率管使用的芯片热流量较高，仅靠芯片外壳不足以达到需要的散热性能。设计中分别增加了型材散热器。
在输入电压为242V的条件下，设备满负荷运转，消耗掉的功率以及变压电路和整流电路工作过程中损失的功率合计达到了271.2W。主要元器件的发热功率如表1所示：
2 电源设备的散热设计仿真
设备的高温运行试验，要求运行环境温度为55℃。在输入电压为242V的条件下，设备满负荷运转。利用Anasys软件对设备进行散热仿真分析。得到的设备温度场分布如图1所示。设备1#整流桥的散热器，局部温度达到了81.2℃。根据此芯片的技术规格书，可推算出在外壳温度为81.2℃的情况下，芯片的结点温度达到148.4℃。已经十分接近节点的极限温度150℃，芯片面临过热损坏的风险。
3 电源设备的散热设计改进
3.1 改进方案的设计
热量在物体中基本的传递方式有热传导、热对流及热辐射三种。散热器表面与空气间的热量传递方式主要是热对流。热对流满足牛顿冷却方程：
q''=h(TS-T∞)
其中q''是表面热流密度(W/m2)，Ts是固体壁面温度，T∞是壁面接触流体的温度。h为对流换热系数（W/m2*K）。对于散热器来讲其表面热流密度:
q''=P/A
综合考虑设备的性能，在功率（P）不变的情况下，通过在发热芯片的背部中心位置，增加一个附加散热器的方式，增加散热面积（A）以降低散热器的表面热流密度，从而降低散热器与空气间的温度差。
3.2 改进方案的仿真分析
对改进方案进行仿真，得到图2所示的温度分布。可以看出在发热芯片背部附加散热器以后，原散热器的最高表面温度为73.5℃。相比于改进以前的81.2℃下降了7.7℃。在改进方案的基础上，可推算出在外壳温度为73.5℃的情况下，芯片的结点温度降低到140.7℃。相比于改进以前，明显的降低了芯片过热损坏的风险。
4 结束语
核电厂房中使用的电源设备，在工作过程中有很高的功率以热量的形式发散到机箱中。若不采取合理的散热设计，必将严重影响电子元器件的寿命和可靠性。产生巨大的经济损失和社会影响。
在设计初期运用Anasys workbench软件对设备工作过程中的温度场分布进行模拟，可以准确的找到散热设计的风险点。对工程师的设计改进进行指导，增强设备的热稳定性能。
参考文献：
[1] 刘家华. 某型雷达密封机箱散热结构研究[J]. 电子机械工程, 2012, 28(4):36-38.
[2] 苏世明, 李伟. 电子设备机箱散热仿真分析[J]. 光电技术应用, 2013, 28(3):64-67.
论文作者:于金,李琦,许化珍
论文发表刊物:《电力设备》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/22
标签：设备论文; 散热器论文; 芯片论文; 温度论文; 电源论文; 功率论文; 表面论文; 《电力设备》2017年第13期论文;