一种高密度数字电源的散热结构及电源组件的制作方法

本发明属于电源领域，具体涉及一种dc/dc高密度数字电源的散热设计方法，主要用于各类电源、整流器、逆变器、电压变换器和电流变换器等产品的散热设计，确保相关产品能够在满载工况下的各项功能及工作时的可靠性。

背景技术：

随着电子技术的快速发展，集成器件的集成度和功率密度的日愈提高，再加上特殊领域电子装备小型化需要，电源类产品逐步向高密度方向发展，电源产品的热流密度成倍的增加。电源产品设计师除了需要成功实现产品的功能之外，还必须充分考虑产品的稳定性、工作寿命、环境适应能力等指标。电源产品热流密度增加，大量热量若不能及时散发出去将极大影响设备的工作，高温是影响电源长时间稳定工作的最重要故障因素，高温成为系统稳定工作和性能提升的绊脚石。

电源中主要的发热元器件为半导体开关管，大功率二极管，高频变压器，滤波电感等磁性元件以及假负载等。电源设备内部过高的温升将会导致对温度敏感的半导体器件、电解电容等元器件的失效，当温度超过一定值时，失效率呈指数规律增加。电源这一类拥有大功率发热器件的设备，温度是影响其可靠性的最重要因素，对整体的热设计具有严格的要求，热设计主要包括两方面：控制发热量和散热。

目前160伏电源，其工作原理是将输入交流680伏或者直流520伏电隔离转化为稳定的160伏，整机由输入整流组件、dc/dc变换组件、监控组件组成，输入整流组件负责将输入的交流电转化为直流电，dc/dc变换组件负责将输入整流组件变化后的直流电隔离转化为稳定的160伏电，监控组件负责完成电源整机的状态检测，并和上位机通信将电源状态信息上传给上位机，同时接受上位机指令完成电源远程监控和参数调整。dc/dc变换组件作为电源核心，其工作性能直接影响电源整机参数，由于160伏电源整机输出功率大、体积小、功能多，即使采取软开关技术，转化效率达96％，仍有大量热量需要散发。上述电源产品在高温试验中存在热保护和功率管失效的问题，具体问题如下：

1.原有的散热设计提高了系统强迫风冷流量后，散热效果提升不明显；

2.原有的产品中二极管和电阻基本上处于温度极限在满载下工作；

3.原有产品中功率管安装在型材式铝质散热器上，温度采集热电偶安装在功率管附近，主要是采集功率管的工作温度。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高密度数字电源的散热结构及电源组件，其散热结构主要用于对高密度数字电源产品进行散热优化；本发明重新定义散热通道，在原有的通道基础上改进；降低整流二极管和电阻安装区域的温度，延长器件的寿命；降低功率管的工作温度，有效解决功率管失效和系统高温关机保护问题。

为实现上述目的，按照本发明第一方面，提供一种高密度数字电源的散热结构，包括3u机箱、紫铜散热器、导流罩和均热板散热器；

所述3u机箱包括前面板、后面板、左侧板、右侧板、底板和顶板；其中，所述前面板上设置有第一轴流风机、第二轴流风机、第一气流入口和第二气流入口；后面板上设置有第一气流出口和第二气流出口；

所述第一轴流风机置于第一气流入口处，所述第二轴流风机置于第二气流入口处；

所述紫铜散热器包括第一翅片和第一基板安装面；其中，所述第一翅片上设有第一翅片传热面,所述第一基板安装面上设有散热器安装孔；

所述均热板散热器包括第二翅片和第二基板安装面；

所述导流罩包括开口端和收敛端；其中，所述开口端为导流罩的入风口，所述收敛端为导流罩的出风口；

所述导流罩安装于底板上，所述导流罩的开口端与第一轴流风机相对，所述导流罩的收敛端与第一翅片相对；

其中，所述前面板、后面板、紫铜散热器、导流罩、均热板散热器、第一轴流风机和第二轴流风机在所述3u机箱腔内形成对流换热路径。

优选地，将所述高密度数字电源的的整流二极管和吸收电阻安装于所述紫铜散热器的第一基板安装面上；其中，所述整流二极管和吸收电阻产生的热量传递至所述紫铜散热器的第一基板安装面后，进一步地传导至所述第一翅片。

优选地，所述导流罩安装于底板上，所述导流罩的开口端与第一轴流风机相对，所述导流罩的收敛端与第一翅片相对；其中，所述第一气流入口流入的空气经过第一轴流风机形成的强迫气流，通过所述导流罩流出与所述第一翅片进行对流换热，形成的热气流再通过第一翅片经第一气流出口送至外部。

优选地，；将所述高密度数字电源的的绝缘栅双极型晶体管安装于所述均热板散热器的第二基板安装面上；其中，所述绝缘栅双极型晶体管产生的热量传递至所述均热板散热器的第二基板安装面后，进一步地传导至所述第二翅片。

优选地，所述第二轴流风机设于第二气流入口处；其中，所述第二气流入口流入的空气经过第二轴流风机形成的强迫气流与所述第二翅片进行对流换热，形成的热气流再通过第二翅片经第二气流出口送至外部。

优选地，以所述散热器安装孔为固定位置，将所述紫铜散热器紧固在底板上；并在所述紫铜散热器(的第一翅片传热面上涂抹高导热硅脂，从而提高所述紫铜散热器与底板之间的传热效率。

优选地，所述均热板散热器安装于底板上，并在所述均热板散热器与底板的贴合面上涂抹高导热硅脂，从而提高所均热板散热器与底板之间的传热效率。

本发明第二方面提供一种高密度数字电源组件，包括上述的高密度数字电源的散热组件；其中，所述前面板、后面板、紫铜散热器、导流罩和均热板散热器在所述3u机箱腔内形成对流换热路径。

优选地，所述对流换热路径包括：

所述整流二极管和吸收电阻产生的热量传递至所述紫铜散热器的第一基板安装面后，进一步地传导至所述第一翅片；所述第一气流入口流入的空气经过第一轴流风机形成的强迫气流，通过所述导流罩流出与所述第一翅片进行对流换热，形成的热气流再通过第一翅片经第一气流出口送至外部；

所述绝缘栅双极型晶体管产生的热量传递至所述均热板散热器的第二基板安装面后，进一步地传导至所述第二翅片；所述第二气流入口流入的空气经过第二轴流风机形成的强迫气流与所述第二翅片进行对流换热，形成的热气流再通过第二翅片经第二气流出口送至外部。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明提供的散热方法将整流电路中整流二极管和吸收电阻的散热方式进行优化，将热量传递到紫铜散热器，通过散热器传递热量，同时也建立了散热器和机箱底板之间的热传递通道。将整流二极管和吸收电阻的热量传递给散热器，紫铜散热器的基板面积大，材料导热系数高，能够将产生的热量迅速传递到紫铜散热器的各个区域，散热面积增加，传递散热的效率明显提高。

2、增加了紫铜散热器，同时通过导流罩将轴流风机产生的流体引入到紫铜散热器的翅片，增加了对流换热的方式，使整流二极管及吸收电阻产生的热量增加了对流散热的方式，明显提高了散热能力，电源系统整流二极管附近区域的温度梯度更小，区域温升减小，对延长整流二极管和吸收电阻的寿命有良好的提升。

3、将铝质型材式散热器改进为均热板式散热器，提高了散热器自身的传导能力，利用均热板在散热方面的优势，提升系统的散热能力。

4、igbt上产生的热量不改变，但是igbt到散热器之间的传递效率提高，均热板的均温特性，使igbt产生的热量迅速传递到均热板式散热器，建立了良好的散热路径。igbt产生的热量传递到均热板式散热器后，热耗迅速传递到均热板的大区域，使得经过散热器翅片的空气流体与翅片之间的热交换效率提高，提升了对流散热的效率，系统散热效果会更好。

5、改进后系统整体温升降低，尤其是局部发热点的温度明显降低，可以大大提高功率器件的寿命，保证了系统工作的可靠性，同时提高了整机的工作效率。

6、本发明所述的散热方式合理可行，适应性强，能够普遍用于目前的各类具有类似特点的电源中，具有良好的应用价值和推广前景。

附图说明

图1为按照本发明实现的高密度数字电源散热结构的整体示意图和爆炸后整体示意图(正面)；

图2为按照本发明实现的整流二极管和吸收电阻设置在紫铜散热器上的局部示意图和整体示意图；

图3为按照本发明实现的紫铜散热器结构的局部爆炸后示意图；

图4为按照本发明实现的绝缘栅双极型晶体管设置在均热板散热器上的局部示意图和整体示意图；

图5为按照本发明实现的高密度数字电源散热结构的整体示意图和局部示意图(反面)；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-前面板；2-后面板；3-左侧板；4-右侧板；5-底板；6-紫铜散热器；7-导流罩；8-整流二极管；9-吸收电阻；10-均热板散热器；11-绝缘栅双极型晶体管；121-第一轴流风机；122-第二轴流风机；13-3u机箱；14-第一翅片传热面；15-第一基板安装面；16-散热器安装孔；17-第一翅片；19-第二基板安装面；20-第二翅片；21-第一气流入口；22-第二气流入口；23-第一气流出口；24-第一气流出口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

作为本发明的一种较佳实施方式，提供一种高密度数字电源的散热结构，本实施例主要由：3u机箱13、紫铜散热器6、导流罩7、和均热板散热器10的功能组件组成。其中，前面板1、后面板2、紫铜散热器6、导流罩7和均热板散热器10在3u机箱13腔内形成对流换热路径。此外，散热结构还包括整流二极管8、吸收电阻9、绝缘栅双极型晶体管(igbt)11，三者为该电源系统的核心组件，工作过程会产生大量热量；其中，整流二极管8和吸收电阻9安装于紫铜散热器6的第一基板安装面15上，绝缘栅双极型晶体管11安装于均热板散热器10的第二基板安装面19上，通过上述流换热路径可完成对该发热源的散热，从而有效降低工作温高对电源整机参数的影响，其具体结构如图2～4所示。

如图1所示，3u机箱13是高度为3u满足标准gjb/z28a-99要求的标准机箱，是高密度数字电源实现的承载和对外安装接口部分，也是本发明高密度数字电源散热结构的组成部分，为电源和散热结构提供结构承载和功能器件安装环境。3u机箱13包括前面板1、后面板2、左侧板3、右侧板4、底板5和顶板；其中，前面板1上设置有第一轴流风机121、第二轴流风机122、第一气流入口21和第二气流入口22；后面板2上设置有第一气流出口21和第二气流出口22。

其中，轴流风机是系统进行强迫风冷的动力来源，为系统提供与风叶轴向一致的一定流量的气流。第一轴流风机121与第一气流入口21对应，第二轴流风机122与第二气流入口22对应。

进一步地，3u机箱13的各面板之间通过螺钉连接的形式安装在一起。

如图1所示，紫铜散热器6是材料导热系数较高的铜质散热器其结构尺寸为330mm×88mm×20mm，紫铜散热器6通过螺钉紧固在底板5内表面上；进一步地，在安装过程中需要在紫铜散热器6的第一翅片传热面14上涂抹高导热硅脂，从而提高紫铜散热器6与底板5之间的传热效率。

如图1所示，导流罩7为铝质薄壁零件，在系统中主要是将轴流风机产生一定风量的流体引导至紫铜散热器6的第一翅片17位置，让流体重点通过紫铜散热器6的第一翅片17。导流罩7包括开口端和收敛端；其中，开口端为导流罩7的入风口，收敛端为导流罩7的出风口。

如图3所示，紫铜散热器6包括第一翅片17和第一基板安装面15；第一翅片17上设有第一翅片传热面14,第一基板安装面15上设有散热器安装孔16。进一步地，在安装过程中需要在第一翅片传热面14上涂抹高导热硅脂，增加紫铜散热器6到底板5之间的传热效率。

整流二极管8是一种用于将交流电转变为直流点的半导体器件，在电源系统中起到交流转直流的作用，是电源系统功能的重要器件，工作过程中也会产生一定的功耗。吸收电阻9是一发热器件，在系统中作用是吸收整流电路中的尖峰，工作过程会产生大量热量。整流二极管8和吸收电阻9都为高密度数字电源的热敏感器件，在电源工作中整流二极管8和吸收电阻9的安装区域会温升，需要及时散热避免产生器件失效或者电源系统高温关机保护问题。

如图2所示，整流二极管8和吸收电阻9通过螺钉安装于紫铜散热器6的第一基板安装面15上；进一步地，在安装过程中需要在整流二极管8和吸收电阻9的贴合面需要涂抹高导热硅脂，硅脂的高度尽可能薄，同样采用螺钉紧固的方式安装在紫铜散热器6上。整流二极管8和吸收电阻9产生的热量传递至紫铜散热器6的第一基板安装面15后，进一步地传导至第一翅片17。

如图5所示，导流罩7通过螺钉安装于底板5上，导流罩7的开口端与第一轴流风机121相对，导流罩7的收敛端与第一翅片17相对。第一气流入口21流入的空气经过第一轴流风机121形成的强迫气流，通过导流罩7流出与第一翅片17进行对流换热，形成的热气流再通过第一翅片17经第一气流出口23送至外部。

如图1所示，均热板散热器10是在铝型材式散热器的基础上增加了均热板的散热器，具体实施方式就是在铝质型材散热器的基板增加增加均热板型腔，在型腔中具有均热板和充注有液体介质，靠型腔内的介质相变来进行吸热和散热。相比较铝质型材散热器的散热能力大大提高，均热板散热器10通过螺钉安装于底板5上；进一步地，在安装过程中在均热板散热器10与底板5的贴合面上涂抹高导热硅脂，从而提高所均热板散热器10与底板5之间的传热效率。

绝缘栅双极型晶体管(igbt)11是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有高输入阻抗和低导通压降的优点，是电源系统中发热量最大，影响系统性能最关键的器件。绝缘栅双极型晶体管(igbt)11同样为高密度数字电源的热敏感器件，在电源工作中绝缘栅双极型晶体管(igbt)11的安装区域会温升，需要及时散热避免产生器件失效或者电源系统高温关机保护问题。

如图4所示，均热板散热器10包括第二翅片20和第二基板安装面19。进一步地，在安装过程需要在均热板散热器10和底板安装面18的接触面涂抹到导热硅脂。

绝缘栅双极型晶体管(igbt)11安装在均热板散热器10上，与均热板散热器基板安装面19贴合，贴合面需要涂抹高导热硅脂。绝缘栅双极型晶体管(igbt)11产生的热量传递至均热板散热器10的第二基板安装面19后，进一步地传导至第二翅片20。

如图5所示，第二轴流风机122设于第二气流入口22处；其中，第二气流入口22流入的空气经过第二轴流风机122形成的强迫气流与第二翅片20进行对流换热，形成的热气流再通过第二翅片20经第二气流出口24送至外部。

本实施例公开了一种高密度数字电源的散热构件，由3u机箱13、紫铜散热器6、导流罩7、整流二极管8、吸收电阻9、绝缘栅双极型晶体管(igbt)11和均热板散热器10的功能组件组成。其中，整流二极管8和吸收电阻9上产生的热量能够快速传递给紫铜散热器6，可以降低整流电路布局的热敏感器件安装区域的温升，对提高器件的工作寿命有良好的意义；均热板散热器10的散热能力强，可以将绝缘栅双极型晶体管(igbt)11产生的热量迅速通过空气对流的形式交换到箱体外部，同时使系统采集温度的热电偶采集到的最大温度降低，避免绝缘栅双极型晶体管(igbt)11工作温度过高而失效，避免电源系统温升过高而产生电源保护。通过散热方式的改进，提高功率器件的寿命，保证了电源系统工作的可靠性，同时提高了整机的工作效率。

根据上述实施方式，本发明提供另一实施例，为一种高密度数字电源组件，包括如上述的高密度数字电源的散热组件；如图1所示，前面板1、后面板2、紫铜散热器6、导流罩7和均热板散热器10在3u机箱13腔内形成对流换热路径。对流换热路径包括：

如图5所示，整流二极管8和吸收电阻9产生的热量传递至紫铜散热器6的第一基板安装面15后，进一步地传导至第一翅片17；第一气流入口21流入的空气经过第一轴流风机121形成的强迫气流，通过导流罩7流出与第一翅片17进行对流换热，形成的热气流再通过第一翅片17经第一气流出口23送至外部。

如图5所示，绝缘栅双极型晶体管(igbt)11产生的热量传递至均热板散热器10的第二基板安装面19后，进一步地传导至第二翅片20；第二气流入口22流入的空气经过第二轴流风机122形成的强迫气流与第二翅片20进行对流换热，形成的热气流再通过第二翅片20经第二气流出口24送至外部。

本发明的技术效果：

作为本发明的改进，本发明所述的一种高密度数字电源的散热结构及电源组件提供的散热方式将整流电路中整流二极管和吸收电阻工作产生的热量传递到紫铜散热器，建立了散热器和机箱底板之间的热传递通道，同时通过导流罩将轴流风机产生的流体引入到紫铜散热器的翅片，增加了对流换热的方式，明显提高了散热能力，电源系统整流二极管附近区域的温度梯度更小，区域温升减小，能够延长整流二极管和吸收电阻的寿命。

作为本发明的改进，本发明所述的一种高密度数字电源的散热结构及电源组件提供的散热方式将铝质型材式散热器改进为均热板式散热器，提高了散热器自身的传导能力，利用均热板在散热方面的优势，提升系统的散热能力。均热板的均温特性，使igbt产生的热量迅速传递到均热板式散热器的远端，建立了良好的散热路径。igbt产生的热量传递到均热板式散热器后，热耗迅速传递到均热板的大区域，使得经过散热器翅片的空气流体与翅片之间的热交换效率提高，提升了对流散热的效率，系统散热效果会更好。

作为本发明的改进，本发明所述的一种高密度数字电源的散热结构及电源组件提供的散热方式使系统采集最重要温度参数的热电偶不会由于局部温度过高、散热器上热量不能及时对流交换而导致采集温度过高报警。

作为本发明的改进，本发明所述的一种高密度数字电源的散热结构及电源组件提供的散热方式改进后系统整体温升降低，尤其是局部发热点的温度明显降低，可以大大提高功率器件的寿命，保证了系统工作的可靠性，同时提高了整机的工作效率。

本发明的推广应用价值：

本发明所述的一种高密度数字电源的散热结构及电源组件实现方式合理可行，适应性强，能够普遍用于目前的各类电源产品，具有良好的应用价值和推广前景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。