利用ANSYS WORKBENCH平台的响应面优化暨Icepak评估125kw储能变流器散热方案
更新于2019年10月28日 16:01此文为本人原创，首发于2017年11月安世亚太公众号。个人公众号(赢仿设计，二维码在文末)亦有转载。2年前因时间仓促，发布的是PPT转图片版。近期本人在技术邻发布的热设计文章获得众多好评。为感谢各位读者，特在技术邻首发文字版。
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1. 问题的提出
某型500KW室内机柜形式储能变流器，电能转换部分由4个125kW模块组成。模块机箱的散热器侧如图：
发热源为3个IGBT模块，每个发热量900W。在Icepak中建立包含各个DIE的详细模型：
散热器原始尺寸：截面宽450，总高92，深度260。考虑采用2种加工方式：铝挤型材和铲齿工艺。
模块与散热器的热传导考虑2种方式：(1)直接接触 ，(2)散热器底板埋入热管，热管与模块间用铜板过渡。
需评估4种散热方案: (1)铲齿散热器+热管；(2) 铲齿散热器 (无热管)；(3)铝挤散热器(无热管)； (4) 铝挤散热器+热管。
2. 在ANSYS WORKBENCH内建立响应面优化任务
如上图，模块IGBT位置固定，下部铜板尺寸固定，热管截面尺寸固定。散热器截面宽和总高固定。机箱尺寸和风扇位置固定。确定以下输入参数：(1)散热器Z向起始坐标: hs_start；(2)热管Z向起始坐标: hs_start+5 ；(3)热管Z向终止坐标: hs_end-5 ； (4)散热器Z向终止坐标: hs_end ； (5)散热器底板厚度: base； (6)散热器齿间距：spacing；(7)散热器齿厚：thick 。
无热管方案时需在Icepak模型中抑制热管和铜板，为此建模时紧贴模块IGBT下部增加一零件：辅助铝板。X向
厚度为“铜板+热管”厚度。 Z向起始和终止坐标同散热器。Y向起始坐标同散热器。Y向终止坐标为第八个参数: al_end。使辅助铝板的优先级高于散热器、热管和铜板。
确定4个输出参数: (1)最高温度(IGBT结温): max-temp；(2)散热器质量: mass-heatsink,；(3)辅助铝板质量：mass-al-plate； (4)散热器总质量： mass-heatsink+mass-al-plate (见后)。
根据机箱尺寸和铝挤、铲齿各自的工艺条件，确定输入参数变化范围：
在ANSYS WORKBENCH内建立响应面优化任务如下图，只需一个热模型，根据输入参数的不同组合可建立任意多优化项目。从左至又依次为：铲齿散热器+热管，铲齿散热器 (无热管) ，铝挤散热器(无热管) ， 铝挤散热器+热管。
如下图，Parameter set内建立复合输出参数 P11=P9+P10，即前述散热器总质量。
如下图，Design of experiments内， Uncheck输入参数al_end的Enabled选项，对于有热管方案，Value为散热器Y向起始坐标；对于无热管方案， Value为散热器Y向终止坐标。既可实现有热管时，辅助铝板体积为0；无热管时，辅助铝板抑制热管和铜板。
3. 优化计算过程
"铲齿散热器+热管"方案的DOE设计点计算结果如下，P10列的数字均接近0，表示辅助铝板质量均为接近0。
铲齿散热器 (无热管)方案的DOE设计点计算结果如下，P10列的数字表示辅助铝板抑制了热管和铜板。
响应面生成后，输出参数搜索极大/极小值，只有铲齿散热器 (无热管)方案的最高温度极小值在140度以上：
对应的输入参数作为verification point在ICEPAK中计算后，可知实际最高结温142.03度，散热器总质量18.568kg:
设置优化目标：散热器总质量最小； 限制：最高温度(IGBT结温)<140：
铲齿散热器 (无热管)方案没有候选点:
铝挤散热器 (无热管)方案找到1个候选点，但经验证后最高结温为152.19度，散热器总质量13.895kg:
铝挤散热器+热管 方案找到3个候选点，经验证后结温为138.59度，散热器总质量7.91kg:
铲齿散热器+热管 方案找到3个候选点，经验证后结温为139.01度，散热器总质量5.66kg:
4. 总结
利用ANSYS的响应面优化工具，可以在项目早期对不同工艺组合、不同元件组合的多种散热方案快速评估，可有效避免不必要的模具投资，并对后续整机结构布局提供参考。
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