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大功率集成电子器件热仿真分析及液冷系统研究

刘福东  
【摘要】:近年来,电子器件的应用遍布各个领域,且随着科技的发展,电子器件的发展逐渐趋于微型化和集成化。微型化和集成化的电子器件不仅增大了加工和装配难度,同时增大了电子器件的散热难度。据统计,绝大部分的电子器件损坏是由于温度过热引起的。所以,大功率集成电子器件的散热问题对电子器件的正常使用至关重要。在众多的电子器件热控制手段中,强迫液冷方式因具有较高的散热效率成为电子期间应用领域的一项热点。 本文以某大功率集成电子器件为热设计对象,分析其发热特点,并设计出一套基于液冷冷板的强迫液冷循环系统。首先,建立大功率电子器件的物理模型,并对大功率集成电子器件进行了热仿真模拟,包括电子器件的瞬态热仿真模拟和稳态热仿真模拟。通过电子器件的瞬态热仿真,得到电子器件在飞行段达到温度上限125℃的时间随冷板厚度的变化关系,即冷板厚越大电子器件达到温度上限的时间越长;通过电子器件的稳态热仿真分析,得到电子器件端子侧面平均温度小于70℃时,能保证电子器件内部芯片温度低于125℃。 其次,根据电子器件的热仿真模拟结果,设计换热的液冷冷板。首先根据电子器件的结构形式及端子孔的位置并考虑加工难度,对不同流道铺设方式和流道弯角形式的冷板进行流动和换热表现的比较,最后选择流道形式为半圆弯角45°斜流道的冷板进行后续的流动和传热分析。流动和传热分析包括三部分:冷板流道截面当量直径和深宽比对内部流体流动和传热的影响;并根据熵产理论分析了流体在流动和传热过程中造成的能量损失;从冷板内流体的流动和传热表现以及能量损失三个方面对冷板进行了优化分析,并提出了优化方案。 最后,设计了电子器件的液冷实验系统,选购相关实验设备进行及设计测控系统的PLC程序后,对该液冷系统进行了简化实验研究。通过实验结果与数值模拟结果的对比,验证了之前数值模拟的合理性,并得到液冷系统的流阻特性,为工程实际提供参考。


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