利用ANSYS WORKBENCH平臺的響應面優化暨Icepak評估125kw儲能變流器散熱方案
此文為本人原創，首發于2017年11月安世亞太公眾號。個人公眾號(贏仿設計，二維碼在文末)亦有轉載。2年前因時間倉促，發布的是PPT轉圖片版。近期本人在技術鄰發布的熱設計文章獲得眾多好評。為感謝各位讀者，特在技術鄰首發文字版。
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1. 問題的提出
某型500KW室內機柜形式儲能變流器，電能轉換部分由4個125kW模塊組成。模塊機箱的散熱器側如圖：
發熱源為3個IGBT模塊，每個發熱量900W。在Icepak中建立包含各個DIE的詳細模型：
散熱器原始尺寸：截面寬450，總高92，深度260。考慮采用2種加工方式：鋁擠型材和鏟齒工藝。
模塊與散熱器的熱傳導考慮2種方式：(1)直接接觸 ，(2)散熱器底板埋入熱管，熱管與模塊間用銅板過渡。
需評估4種散熱方案: (1)鏟齒散熱器+熱管；(2) 鏟齒散熱器 (無熱管)；(3)鋁擠散熱器(無熱管)； (4) 鋁擠散熱器+熱管。
2. 在ANSYS WORKBENCH內建立響應面優化任務
如上圖，模塊IGBT位置固定，下部銅板尺寸固定，熱管截面尺寸固定。散熱器截面寬和總高固定。機箱尺寸和風扇位置固定。確定以下輸入參數：(1)散熱器Z向起始坐標: hs_start；(2)熱管Z向起始坐標: hs_start+5 ；(3)熱管Z向終止坐標: hs_end-5 ； (4)散熱器Z向終止坐標: hs_end ； (5)散熱器底板厚度: base； (6)散熱器齒間距：spacing；(7)散熱器齒厚：thick 。
無熱管方案時需在Icepak模型中抑制熱管和銅板，為此建模時緊貼模塊IGBT下部增加一零件：輔助鋁板。X向
厚度為“銅板+熱管”厚度。 Z向起始和終止坐標同散熱器。Y向起始坐標同散熱器。Y向終止坐標為第八個參數: al_end。使輔助鋁板的優先級高于散熱器、熱管和銅板。
確定4個輸出參數: (1)最高溫度(IGBT結溫): max-temp；(2)散熱器質量: mass-heatsink,；(3)輔助鋁板質量：mass-al-plate； (4)散熱器總質量： mass-heatsink+mass-al-plate (見后)。
根據機箱尺寸和鋁擠、鏟齒各自的工藝條件，確定輸入參數變化范圍：
在ANSYS WORKBENCH內建立響應面優化任務如下圖，只需一個熱模型，根據輸入參數的不同組合可建立任意多優化項目。從左至又依次為：鏟齒散熱器+熱管，鏟齒散熱器 (無熱管) ，鋁擠散熱器(無熱管) ， 鋁擠散熱器+熱管。
如下圖，Parameter set內建立復合輸出參數 P11=P9+P10，即前述散熱器總質量。
如下圖，Design of experiments內， Uncheck輸入參數al_end的Enabled選項，對于有熱管方案，Value為散熱器Y向起始坐標；對于無熱管方案， Value為散熱器Y向終止坐標。既可實現有熱管時，輔助鋁板體積為0；無熱管時，輔助鋁板抑制熱管和銅板。
3. 優化計算過程
"鏟齒散熱器+熱管"方案的DOE設計點計算結果如下，P10列的數字均接近0，表示輔助鋁板質量均為接近0。
鏟齒散熱器 (無熱管)方案的DOE設計點計算結果如下，P10列的數字表示輔助鋁板抑制了熱管和銅板。
響應面生成后，輸出參數搜索極大/極小值，只有鏟齒散熱器 (無熱管)方案的最高溫度極小值在140度以上：
對應的輸入參數作為verification point在ICEPAK中計算后，可知實際最高結溫142.03度，散熱器總質量18.568kg:
設置優化目標：散熱器總質量最小； 限制：最高溫度(IGBT結溫)<140：
鏟齒散熱器 (無熱管)方案沒有候選點:
鋁擠散熱器 (無熱管)方案找到1個候選點，但經驗證后最高結溫為152.19度，散熱器總質量13.895kg:
鋁擠散熱器+熱管 方案找到3個候選點，經驗證后結溫為138.59度，散熱器總質量7.91kg:
鏟齒散熱器+熱管 方案找到3個候選點，經驗證后結溫為139.01度，散熱器總質量5.66kg:
4. 總結
利用ANSYS的響應面優化工具，可以在項目早期對不同工藝組合、不同元件組合的多種散熱方案快速評估，可有效避免不必要的模具投資，并對后續整機結構布局提供參考。
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