基于Icepak的一种射频电源芯片散热器改进设计.pdf

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1、第３期（总第２０２期）机械工程与自动化No．３２０１７年６月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONJun．文章编号：１６７２‐６４１３（２０１７）０３‐００９２‐０３基于Icepak的一种射频电源芯片散热器改进设计刘会（湖北工程学院物理与电子信息工程学院，湖北孝感４３２０００）摘要：射频电源作为射频激励轴快流CO２激光器的核心组件，其稳定性与可靠性是影响气体放电和激光器功率提升的关键因素，而电源芯片散热能力是决定射频电源稳定运行的重要条件之一。为了改善散热器的散热性能以保障激光器稳定可靠运行，基于流体计算软件平台Icepak设计了

2、一种散热器改进方案，并利用搭建的测试平台测试了改进模型的散热性能。结果表明：改进方案散热效果较好，并具有结构简单、加工容易的特点，完全能满足射频电源正常工作对散热器性能的要求。关键词：射频电源；散热器；Icepak中图分类号：TP３９１畅７文献标识码：A0引言矪矪p矪T（h）＋（uih）＝－（k＋kt）－ρ）＋Shρ．（３）射频电源在等离子研究、轴快流CO２激光器等工矪t矪xixi矪xi［１］其中：为流体密度；ui、uj为流体速度ρ沿i、j方向的分业领域有着十分广泛的应用。对于上千瓦的射频电２量；p为静压力；ij为应力矢量；gi为i方向上的τ重力源，芯片上

3、一般也会有超过１０W／cm的热功率产［２］分量；Fi为由于阻力和能源而引起的其他能源项；h为生，而对于带时变性非线性的激光器放电管负载，在熵；k为分子传导率；kt为由湍流传递而引起的传导进入放电工作前，电源芯片一般还要承受２００W～３００W率；Sh为定义的体积源；T为温度；t为时间；xi、xj为的反射功率。因此，实际散热器要满足功率密度为２２［３－４］方向矢量。１５W／cm～３０W／cm的散热，若采用微通道板１．２热力学平衡方程与热阻计算［５］散热器则成本较高，因此激光器电源芯片的散热一热平衡方程是判别系统是否达到稳定的重要参考［６］般选择水冷散热器。本文

4、针对工程应用领域中射频依据，可以用来度量散热器的散热效果，表示为：激励轴快流CO２激光器射频电源用的某种通用的并QL＝．（４）联通道水冷散热器无法满足实际散热要求的问题，基cp（t１－t２）于传热学与流体力学理论，利用CFD（Computational其中：L为单位时间内流体流量；t１、t２为进、出口处流FluidDynamics）商用软件设计了带有圆柱结构的改体温度；Q为热流量；cp为流体比热容。进的散热器实体模型。通过仿真与实验，表明该改进热阻是能反映散热器热量传递能力的一个重要指结构方案具有更好的散热特性。标，总热阻R计算式如下：1流体力学与传热学的

5、基本理论Tmax－TinR＝．（５）１．１流体力学控制方程Q针对文中采用的任意方向均连续、导热系数恒定其中：Tin、Tmax分别为入口温度以及散热器表面的最的流体，利用CFD进行分析时，可以得到流体的质量、高温度。［７］2散热器模型与改进动量、能量守恒方程及对于固体介质能量守恒方程，分别表示如下：２．１散热器模型［８］矪矪图１给出了两ρ种典型的芯片散热器结构模型，＋（ui）＝０．（１）ρ矪t矪xi本射频电源芯片散热采用图１（a）结构，其三维模型见矪矪矪p矪ij图１（c）。散热器介质材料为硬铝，散τ热器规格为长（ui）＋（uiuj）＝－＋＋gi＋Fi．（２）

6、ρρρ矪t矪xj矪xi矪xj１０５mm、宽６０mm、高１６mm。收稿日期：２０１６‐１０‐０４；修订日期：２０１７‐０３‐１０作者简介：刘会（１９８４‐），女，湖北十堰人，讲师，硕士，从事大功率开关器件的散热研究。２０１７年第３期刘会：基于Icepak的一种射频电源芯片散热器改进设计·９３·设定入水口水温为２０℃，并分别设置流场与能量尺寸参数与上面并联流道散热器相同。－３－７场的收敛条件为１０与１０，叠代次数为１０００。求解区范围设定为X＝０．１０５m，Y＝０．０６m，Z＝０．０１６m。水的导热值为０．６１１W／（m·K），比热值为４１７９J／（kg·K）

7、。图４并联流道散热器内部速度分布图５圆柱结构散热器模型为了分析改进的圆柱散热器的散热效果，设置了与并联流道散热器相同的参数，得到了如图６所示的图１两种常见散热器的结构及某型散热器模型分别设置热源功率为２００W与３００W时，记录散散热器热阻曲线。通过与图２对比可以看出，改进后热器进、出水口和中心处的温度随水流量的变化，可以圆柱散热器的热阻比并联流道散热器更小，说明散热绘制出如图２所示的热阻曲线。从图２中可以看出：性能更好；热源为２００W、流量为１L／min时，最小热水流量从０．１L／min到１L／min的增长过程中，散热阻仅为０．１１９℃／W。器的热阻逐渐下

8、降，并趋于平缓；在０．８L／min后，几乎不再变化。说明水流量达到