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211、985硕士，职场15年+

从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作，涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。

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本期给大家带来的是关于非车载ACDC风冷充电机相关技术的研究内容，希望对大家有帮助。

随着电子产品，材料、结构、空间尺寸等限制，功率密度越来越大，对发热元器件的散热带来了挑战，所以有很多更高效的解决方案被挖掘，诸如热管、VC、叶脉冷泵系统等，能更快的将系统整体发热量带到外部。

下面，以我之前做的一个新能源4KW非车载AC-DC充电机项目为例，给大家介绍结构设计、热设计、导热材料选型、测试、仿真、汇报报告输出等全流程。

4KW非车载AC-DC结构外观图

需要仿真源文件、3D模型、仿真资料自学研究的同学，关注本公众号，发送“充电机”，获取资料，配套仿真视频教程见B站（莱歌数字）。

项目背景

给某新能源厂设计的一款非车载ACDC充电机，效率92%左右，已量产。

下面就该项目的结构、热管理、测试以及报告等多个方面，介绍完整的流程以及所使用的相关导热材料等内容。

结构设计

结构设计外壳尺寸

内部布局图

外壳采用SECC钣金件加工，该设备在室内使用，使用环境没有之前的3KW 车载充电机那么恶劣，防护等级IP33，进出风口有过滤棉，结合百叶窗的结构设计进行防护，如下图所示。

外壳结构设计

热设计

关于整机系统初始散热方式、风量评估的过程，本篇就不再追溯，大家感兴趣的可以看之前的文章。

电子产品中风扇的基础知识：构造、仿真参数、串并联、噪音与选型建议（纯干货建议小白收藏！）

本项目主要发热部件有芯片、功率管（MOS）、变压器、整流桥、PCB板等，清单如下，

部分损耗清单（需要的可以按文章方式进行领取）

由于空间尺寸限制，以及产品使用的环境条件等要求，我们选择的导热方式是在MOS管与散热器直接加导热硅脂、铜片。

刚性固体接触面间会产生细小的缝隙。可以用柔性的介质填充这些缝隙，连接导热路径。这些柔性介质就是导热界面材料，包含导热衬垫（thermal pad）、导热硅脂（thermal grease）、导热凝胶（thermal gel）等。

导热硅脂是一种传统的导热材料，使用在发热部件与散热片之间达到良好的导热性和稳定性，同时对铜、铝散热器表面具有一定的充分填充。非常适合于一般CPU、GPU及其它发热功率器件的界面导热。

导热硅脂使用还需要注意热源面与散热端的安装方式、锁附机构等结构设计。在此项目中，MOS管金属面涂抹导热硅脂，与散热器接触，用螺丝锁紧，如下图所示，

MOS管锁附在散热器侧面

需保证平行度、接触面平面度等，最直接的检测方法，可参考下面文章。

热润滑脂长期使用的可靠性分析

导热硅脂热涌出和干化等不良接触情况

从图上前后对比可以看出，其导热硅脂在CPU与冷端面之间接触、导热的效果很好。

另外，导热界面材料所受的压力越大，材料的热阻越低，导热效果越好。但芯片的应力承受范围有限，过大应力会导致芯片压坏。芯片如果允许，尽可能采用大应力。

芯片特别不耐压时，考虑更软的材料，避免由于压力过小导致界面间缝隙填充不严密。

之前的文章给大家分享过一些关于新能源车载3KW的AC-DC充电机的内容。新能源车载系统模块结构与热设计（IP67可靠性改良方法）

里面有就用到导热硅胶片，如下图所示，

导热硅胶片应用图

此产品是车载、而且整机空间尺寸受限，功率密度比较适中，采用自然冷却散热的方式，MOS管外壳与PCB接触，金属面面向散热器。

这样设计的目的是减少路径上的热阻，尽可能发挥散热器的性能。

那么带来两个问题：

• 绝缘要求，需要解决hipot、EMC等的问题。

• 接触良性，对导热影响

导热硅胶片/导热垫（无硅油）可以完美解决这些问题。

导热硅胶片一款超柔软（类似饺子皮）的高导热性能的材料（导热系数1.5~18W/m.K），在低压力的情况下表现出较小的热阻和很高的形变量（压缩比15~30%），拥有非常好的填缝性能，推荐使用在公差比较大的平面。另外具有双面低粘性，不需要额外的阻碍导热的粘胶涂层亦可背胶处理，强粘性粘接。

其拥有高形变、质地软、低挥发特性，在适中的应力条件下，有优秀的形变量范围，并且具备高导热性能。

导热垫能够填充缝隙,完成发热部位与散热部位的热传递,增加导热面积,同时还起到减震、绝缘、密封等作用,能够满足设备小型化、超薄化的设计要求,是极具工艺性和使用性的新材料。

测试验证

接下来我们看看基于Flotherm软件模拟，与实验测试的结果情况。

仿真模拟元器件侦测位置

仿真模拟元器件侦测温度

仿真流场云图

可以看出，仿真的各元器件结果基本满足设计要求，两个电感温度有些超标，分析原因，可能是风道设计问题，到两个电感区域的有效风较少，没有及时将热量带走导致。

后续的版本我们做了一些优化，篇幅受限，这里就不做详细介绍，感兴趣的可以下载模型后自行研究。

在仿真后期，打样组装成品之后，我们对实物做了温升测试，测试数据如下表所示，

试验测试数据

可以看出，此版本的仿真、实测的结果都反馈出少数部分元器件温升有问题，这也给我们整机热管理改善、结构设计优化提供了方向指引。

无论结果如何，我们都需要将获取的原始数据，整理成易懂的报告，以图片、表格等形式进行汇报，方便项目干系人及时、明确知晓项目进展、潜在的风险等。

热设计报告

优秀的工程师，除了技术过硬，向上汇报的能力也必须具备，这是软实力的体现，下面是该项目的报告内容，截取部分，大家感兴趣可查阅之前的文章。如何向上汇报：专业的热设计报告

注意事项

• 若某堆发热元器件在一起，导热硅脂与导热硅胶片一起使用的情况，需要将散热器分开设计，避免因导热硅胶片压缩率、结构面平整度、安装与设计公差等因素，致使导热硅脂接触不良，从而影响发热源散热。

• 任何项目都不是一蹴而就的，在理论计算、仿真、测试等结果基础上进行不断迭代优化设计，最终结合成本、空间尺寸、供应链、工艺等因素，形成项目的最终设计方案。

至此，一个完整的项目，从结构设计、热设计到测试，总结汇报完整的研发过程就介绍完毕，如果大家一些心得体会，欢迎在评论区或私信我交流。

如果有结构、热设计技术培训、项目咨询等业务需求的企业主或工程师，欢迎联系。