第28卷  第5期2021年5月仪器仪表用户INSTRUMENTATION
Vol.282021  No.5
基于Icepak的电源插件散热仿真分析
李 昂，杨 诚，贾艺歌，李 丹，李 勇，侯荣彬，吴志强，黄文娜
（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213）
摘    要：
电源插件AC/DC 电源模块工作时，发热量较大，因此本文采用SolidWorks 软件对电源模块插件进行建模并采用ANSYS Icepak 软件进行散热性能模拟分析，根据模拟结果得出：AC/DC 电源模块本身发热较为严重，增加散热片后，在额定工作状态下，插件内AC/DC 电源模块最高温度降低，但插件内其它器件温度变化较小。增加散热孔后，插件内部空间及所有器件温度均降低，散热孔开孔率越大，散热性能越好。同时采用散热片和散热孔后，电源插件内部AC/DC 模块温度降低12.31℃，DC/DC 模块温度降低8℃，印制板温度降低12.27℃，插件散热性能提升。仿真模拟结果为插件散热性能分析提供重要参考依据，为插件散热性能优化提供设计思路。关键词：电源插件；散热；散热片；散热孔；仿真分析
中图分类号：TP319；TK11            文献标志码：A
Heat Simulation Analysis of Power Plug-In Based on Icepak
Li Ang ，Yang Cheng ，Jia Yige ，Li Dan ，Li Yong ，Hou Rongbin ，Wu Zhiqiang ，Huang Wenna
（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Cheng-du,610213, China）Abstract：When power plug-in works, the heat of the AC/DC power module is large, SolidWorks is used to build the power mod-ule plug-in module and ANSYS Icepak is used to simulate and analyze the heat dissipation performance. According to the simula-tion results, it is concluded that: The heating of AC/DC power module is serious, after adding heat sink, the maximum temperature
of AC/DC power module in the plug-in decreases, but the temperature change of other devices in the plug-in is small. With the increase of cooling holes, the internal space of the plug-in and the temperature of all devices are reduced. The heat dissipation performance is the better when the opening rate of the cooling hole larger. The results show that the temperature of AC/DC module decreases by 12.31 ℃, the temperature of DC/DC module decreases by 8%, and the temperature of printed board decreases by 12.27 ℃ after using heat sink and cooling hole. The simulation results provide an important reference for the thermal performance analysis of the plug-in, and provide design
ideas for the thermal performance optimization of the plug-in.Key words：power plug-in；dissipate heat；heat sink；cooling hole；simulation analysis
DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2021.05.015
文章编号：1671-1041(2021)05-0056-04
收稿日期：2020-12-14
作者简介：李昂（1992-），男，新疆人，硕士，助理工程师，研究方向：仪表与控制、能源动力。
0  引言
反应堆保护装置是核动力装置重要的安全设备，是保护系统的重要组成部分，主要用于监测选定的控制变量。
当被监测的变量超过规定值时，保护装置触发安全驱动器
触发功能，实现反应堆快速停堆或驱动专设安全设施，从而限制或减轻事故后果。电源插件主要是采用AC/DC 电源
李 昂·基于Icepak的电源插件散热仿真分析 第5期57
图1  电源插件
Fig.1  Model of Plug-in
模块，将可靠电源提供的220V 交流电转化为+15V 直流电源，从而为设备部分通道提供稳定可靠的+15V 直流电压。电源模块在额定工作状态下会产生较大热量，使电源模块本身温度较高，电源模块长期处于高温状态下时，工作稳定性会受到一定影响，当温度超过元器件极限温度时，电源模块烧坏，则无法为其它通道的插件提供稳定可靠的+15V 电压，此时需要+15V 电压的插件无法正常工作，导致反应
堆保护装置部分控制功能无法实现。因此，电源模块处于良好的散热状态，是保证电源插件和整个反应堆保护装置能够稳定工作的前提。电子设备热设计系统性能的好坏直接影响到电子设备的工作状态、工作性能以及工作寿命，解决电子设备过热问题是目前国内外电子设备热设计技术领域的研究热点之一[1]。文献[2]指出：随着电源模块逐步向小型化转变，电源模块的功率密度也随之增大，大量的热量如果不采用有效的散热措施进行散热，电源模块电路将有极高的热流密度，影响电路可靠性和寿命。文献[3]指出：随着温度的升高，电力电子设备的失效率会呈指数趋势增长，甚至在部分电气设备中环境温度每上升10℃，电气设备的失效率会出现1倍以上增长，当电源模块电路内部温度增长超过设计温度的极限值时，将导致元器件失效及故障，威胁电源模块后续相关插件的安全稳定运行。热分析研究基于传热学、有限元分析和流体力学。目前，热分析的方法主要分为解析法、数值模拟法、实验分析法
[4,5]
。文献[6]通过运用Icepak 软件对机箱内部元器
件散热问题进行仿真，并通过优化改进，实现了对元器件温度降低达10℃以上，提升了产品可靠性。文献[7]采用热仿真软件Icepak 对某密闭机箱进行了热仿真，并对结构布局进行了优化，设计了有利于功率器件散热的结构形式。
本文采用SolidWorks 软件建立电源模块和电源插件模型，利用ANSYS Icepak 软件对电源插件的发热情
况和散热性能进行数值模拟，模拟结果为提升电源插件的散热性能提供设计思路和理论依据。
1  电源插件三维模型建立
电源插件所用的AC/DC 电源模块规格型号已经确定，并且电源模块配置了对应的散热片对其进行强化散热，插件、电源模块及电源模块散热片的结构尺寸所有参数均已知。在建模过程中，将电源模块简化为长：7cm，宽：5.2cm，高：2cm 的长方体，散热片和插件模型采用SolidWorks 软件根据实际尺寸参数按1:1比例建立AC/DC 电源模块、电源模块散热片模型，通过SolidWorks 软件将其与PCB 板与插件盒进行装配，从而建立电源插件模型，建模过程中忽略发热量较小的元器件，从而简化插件模型，便于计算和分析插件内的温度分布。电源插件模型如图1所示，无散热片的电源插件结构如图1（a）所示，增加散热片的电源插件结构如图1（b）所示，同时增加散热片和散热孔后的电源插件模型如图1（c）所示。
2  电源插件热分析
电源插件热分析采用ANSYS 软件对电源模块和插件进行有限元分析，通过模拟电源插件三维模块的温度分布和热应力分布，进而获得电源插件额定工作状态下的温度以及散热性能。
2.1  基本控制方程
数值计算依靠离散反应物质运动特性的守恒偏微分方程，获得计算结果。本过程所涉及的控制方程包括：连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程[8-10]。
1）质量守恒方程：
（1）
2）动量守恒方程：
（2）
（3）（4）3）能量守恒方程：
（5）
式中：
u ，v ，w 为X，Y，Z 3个方向的速度；S u ，S v ，S w 为广义源项；C p 为比热容；T 为温度；S T
为粘性耗散项。
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表1  不同电源插件模网格数
Table1  Grid number of different power plug-in model
2.2  网格划分
由于电源插件模型在SolidWorks软件中建立，因而导
入Icepak后，网格化划分采用Mesher-HD网格对模型进行模块电源故障
网格划分，通过调整网格级数和非连续网格区域内的最大
网格尺寸，从而保证网格贴体。当网格体积，网格偏斜度
以及面对齐率均满足网格准则时，不同电源插件模型的网
格单元数和网格节点数见表1。
2.3  电源散热性能分析
本文根据实际工作环境状态，环境温度设置为：20℃，
环境压力为：101325Pa，采用湍流模型，给定AC/DC电源
模块和其他发热器件的功耗，采用Icepak模块对电源插件
散热性能进行模拟分析。电源插件的温度分布如图2所示。
当计算收敛后，根据模拟结果，增加散热片后AC/DC
电源模块最高温度降低了3.41℃。对比图2（a）和图2（b）
可以看出：增加散热器后，AC/DC电源模块和安装电源模
块的PCB板的温度明显降低。但是，由于插件与外界的散
热并没有增强，因而散热片仅能降低局部器件的温度，无
法显著提升整个插件的散热性能。
对比图2（a）和图2（c）可以看出：增加散热孔后，
电源插件外内部空间和所有器件温度均有所降低。对比增加散热孔前后的模拟结果可以得出：电源插件
AC/DC电源模块最高温度降低10℃，DC/DC模块最高温度降低6.44℃，印制板最高温度降低10.08℃。因此，增加散热孔有助于提升插件整体的散热性能。
对比图2（a）和图2（d）得出：同时增加散热孔和散热片后，电源插件内部AC/DC电源模块、DC/DC模块、印制板以及插件内部空间温度均明显降低。因此，插件散热性能获得提升。
电源插件采用带有散热孔结构的外壳，提升电源插件整体的散热性能的同时，增加散热片强化AC/DC电源模块的散热。模拟分析增加散热孔和散热片后电源插件的散热性能，不同开孔率下的电源插件温度变化见表2。
计算收敛后，根据模拟结果可以得出：开孔率越高，自然对流散热越好，电源插件内部器件温度降低得越多，插件散热性能越好。但是，当开孔率超过0.5时，电源插件散热性能随开孔率增大提升缓慢。因此，继续提升开孔率对插件散热性能提升效果较小，所以针对电源插件最佳开孔率在0.5左右。
2.4  不同环境条件下电源插件散热性能分析
为验证不同环境温度下，增加散热片和散热孔的电源插件的散热性能，对电源插件在不同环境温度下的散热性能进行模拟分析，不同环境温度下电源插件内部器件和印制板温度的变化见表3。
计算结果可以看出：增加散热孔和散热片后的插件散热性能提升在不同环境温度下具有较好的一致性，
因此通过增加散热片和散热孔能有效提升插件整体的散热性能，为电源插件散热性能优化提供参考依据。
3  结论
根据模拟结果可以看出：电源插件中AC/DC电源模块在额定工作状态时，发热较严重，增加散热片能有效降低
图2  电源插件内部器件温度分布
Fig.2  Temperature distribution of the internal components
of the power plug-in
表2  不同开孔率下插件内部器件温度变化
Table 2  Temperature change of the internal components of
the plug-in under different opening ratio
李 昂·基于Icepak的电源插件散热仿真分析
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插件内发热器件的温度；插件外壳增加散热孔能提升插件内部的整体散热性能；同时，采用安装散热片和增加散热孔的方式，可以显著提升插件的散热性能。
1）增加散热片能降低电源插件内局部发热较严重器件的温度，只增加散热片后，电源插件内AC/DC电源模块温度降低3.41℃，其它器件温度变化较小。
2） 增加散热孔能有效提升整个插件的散热性能，插件内部元器件和印制板温度均降低，增加散热孔可提升电源插件整体的散热性能。
3）电源插件外壳的开孔率越大，自然对流散热性能越好，但当开孔率超过一定值后，继续增大开孔率散热性能提升效果较小。
4）同时采用散热片与较优开孔率的散热孔时，在不同环境温度下散热性能保持一致，具备良好的环境适应性。
参考文献：
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表3  不同环境温度下插件内部温度变化
Table 3  The internal temperature of the plug-in changes under
different ambient temperatures
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[10]（上接第61页）
确度、施工费用少等特点，在国内火电厂、石油化工企业得到良好应用。例如，国内某发电厂发电机组自动化改造，DCS采用西屋O-VATION系统，通过远程I/O采集610点模拟量信号，节省了大量信号电缆、补偿导线、电缆桥架等，同时简化了设计、施工工作，两台机组节约费用近200万元[3]。
本项目设计思路是：通过远程I/O卡件将海水取水口PLC和主DCS系统的输入输出信号转化为数字通讯信号，再通过光电转换器实现光纤传输。信号进入DCS系统前，再次通过远程I/O卡件转化为直流电压/电流信号。这样既解决了常规电压/电流传输的信号衰减问题，又能够满足信息安全要求。
整个系统由海水取水系统PLC、远程I/O卡件、光电转化器、光纤，及DCS I/O卡件组成。远程I/O卡件设计选用MOXA ioLogik E1200系列，带2个以太网口，可组建菊花链拓扑结构，从而省去以太网交换机，并为后续扩展提供条件。模拟量通道精确度达到±0.1%，开关量通道采用无源干接点形式，MTBF（平均无故障时间）达到888656 h。
根据过程信号和控制设备的重要性，筛选出表1信号清单，传输到DCS系统后，能够保证主控操纵员及时、全面地掌握循环水取水口相关设备的运行状态，并对异常情况进行干预。
4  结束语
冷源可靠性对于核电站安全稳定运行至关重要，将冷源相关系统的过程信号送到主控室，甚至允许操纵员在紧急情况下远程控制冷源系统就地设备，是提高应对冷源事故响应能力的有效手段。本文分析比较了几种信号传输方案，其中，基于远程I/O技术的信号传输方案已在本电站成功运用，为后续机组的方案设计提供参考。
参考文献：
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