基于流體計(jì)算的求解水冷散熱器熱阻抗的方法

姬 凱 康 樂(lè) 吳 丹 陳叔衡，2

（1.中船重工武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2.艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064）

1 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，高壓大電流IGBT逐漸成為現(xiàn)代電力電子設(shè)備的核心器件。通常情況下，IGBT工作在非理想的開關(guān)狀態(tài)，因此存在著導(dǎo)通和開關(guān)損耗。在大容量電力電子設(shè)備中，這些損耗往往都很大，其結(jié)果將導(dǎo)致器件的溫升很嚴(yán)重，當(dāng)器件管芯的溫度升高到 100℃以上時(shí)將嚴(yán)重影響器件的正常工作，甚至永久性損壞，因此器件的散熱問(wèn)題就顯得尤為重要。為了提高功率密度，設(shè)計(jì)者在使用 IGBT模塊時(shí)通常采用水冷的方式，在實(shí)際中往往都是根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及 IGBT模塊安裝的要求來(lái)設(shè)計(jì)水冷散熱器。由于沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，散熱器的熱阻以及熱抗的值往往不得而知，這就給計(jì)算IGBT模塊的節(jié)溫帶來(lái)了很大困難，穩(wěn)態(tài)過(guò)程（又稱定常過(guò)程）和非穩(wěn)態(tài)過(guò)程（又稱非定常過(guò)程）。對(duì)穩(wěn)態(tài)過(guò)程而言，其熱阻定義為

其中， T-T0為溫升，單位K，P為功耗，單位W。對(duì)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程而言，其熱抗定義為

其中， T( t)- T( t0)為t時(shí)刻的溫升。

當(dāng)t→∞時(shí)，傳熱過(guò)程達(dá)到穩(wěn)態(tài)， Zt( t)→Rt。

大功率水冷散熱器通常采用由內(nèi)部帶水路的銅基板組成，其熱阻和熱抗由銅基板的結(jié)構(gòu)和流過(guò)水路的水流量決定。由于銅基板與冷卻水之間存在著復(fù)雜的湍流換熱過(guò)程，其本質(zhì)上是一個(gè)涉及到流體流動(dòng)、流固熱交換以及固體熱傳導(dǎo)等方面問(wèn)題的流體力學(xué)問(wèn)題，因此要比較準(zhǔn)確的計(jì)算出散熱器的熱阻和熱抗，可以采用計(jì)算流體力學(xué)（Computing Fluid

2 熱阻熱抗的計(jì)算方法

根據(jù)物體溫度與時(shí)間的關(guān)系，傳熱過(guò)程可分為Dynam ics）的方法進(jìn)行求解[1]。其步驟如下

（1）利用Gambit對(duì)水冷散熱器進(jìn)行物理建模，定義模型中的固體區(qū)域與流體區(qū)域，并定義固體與流體熱交換的區(qū)域。

（2）定義散熱器的熱生成區(qū)域。

（3）定義流體的邊界條件。

（4）利用Gambit對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并保存生成的網(wǎng)格文件。

（5）通過(guò)Fluent讀取保存的網(wǎng)格文件，設(shè)置流體與固體的材料屬性、邊界條件、熱通量等計(jì)算必須的參數(shù)。

（6）選取非定常計(jì)算模式，設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)與時(shí)間，開始計(jì)算，并保存每步的計(jì)算結(jié)果。

（7）根據(jù)計(jì)算結(jié)果計(jì)算每個(gè)時(shí)刻散熱器的溫度T( t)，依（2）式計(jì)算散熱器的熱抗[2-5]。

3 熱阻熱抗的計(jì)算實(shí)例

以常用的IGBT封裝模式IHM 130×140為例，如果安裝在130mm×140mm的水冷散熱器上，散熱器材料為銅，厚度12mm，內(nèi)有一條直徑8mm的水路[6]。

利用Gambit建立計(jì)算模型，定義流體邊界為速度進(jìn)口、流量出口，固體邊界條件為熱通量邊界，并劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格圖如圖1所示。

圖1 散熱器計(jì)算網(wǎng)格圖

在Fluent中倒入網(wǎng)格文件，設(shè)定固體材料屬性為copper，流體為water-liquid，速度進(jìn)口為V=1.0m/s，散熱器IGBT安裝面熱通量為40000 W/m2，初溫T0= 300K 。采用非定常計(jì)算模式，時(shí)間步長(zhǎng)為1s，共計(jì)算300步。其計(jì)算結(jié)果如圖2~6所示。

按同樣的方法，在相同的邊界條件下，分別計(jì)算冷卻水流速V=0.5m/s，V=1.0m/s，V=2.0m/s時(shí)散熱器的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，根據(jù)式（2）計(jì)算對(duì)應(yīng)的熱阻和熱抗值，繪制成曲線，如圖7所示。

圖2 t=1s散熱器溫度分布圖，302K=Tmax

圖3 t=10s散熱器溫度分布圖，310K=Tmax

圖4 t=50s散熱器溫度分布圖，336K=Tmax

圖5 t=100s散熱器溫度分布圖， 351K=Tmax

圖6 t=200s散熱器溫度分布圖，360K=Tmax

圖7 散熱器熱抗曲線

當(dāng)t到達(dá)100s后，傳熱過(guò)程基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)，對(duì)應(yīng)的熱阻是分別為0.1126K/W（V=0.5m/s）、0.0838 K/W（V=1.0m/s）、0.0577 K/W（V=2.0m/s）。

根據(jù)圖7的熱抗曲線，再結(jié)合IGBT生產(chǎn)廠商提供的IGBT器件本身的熱抗曲線，根據(jù)公式：

可以方便地計(jì)算出不同冷卻水流量下穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的結(jié)溫。

4 結(jié)論

利用Gambit和Fluent提供的強(qiáng)大的流體傳熱計(jì)算功能，采用非定常三維仿真計(jì)算方法，可以方便的計(jì)算出不同幾何形狀、不同散熱介質(zhì)、不同散熱條件下的散熱器熱阻和熱抗，根據(jù)計(jì)算出的散熱器熱阻和熱抗值就可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算穩(wěn)態(tài)以及過(guò)載、故障等動(dòng)態(tài)情況下IGBT模塊管芯的節(jié)溫，從而保證器件可靠安全工作。

[1]Fluent 6.2 Tutorial Guide, Fluent Inc.

[2]Advance Thermal Modeling, Fluent Inc.

[3]Gambit 2.3 User Guide, Fluent Inc.

[4]Gambit 2.3 Tutorial Guide, Fluent Inc.

[5]Fluent 6.2 User Guide, Fluent Inc.

[6]Power Electronic Device Application Manual, Sem ikro.