翅柱式IGBT水冷散熱器的熱仿真與實(shí)驗(yàn)

丁 杰 ，張 平

（1.湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105；2.南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司南車電氣技術(shù)與材料工程研究院，株洲412001）

引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，性能優(yōu)越的IGBT已經(jīng)成為大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車牽引變流器的核心器件。IGBT失效的主要原因有過電壓、過流、熱失控、功率循環(huán)與溫度循環(huán)等，這些失效是由某些半導(dǎo)體物理參數(shù)溫度敏感性所致，對(duì)外呈現(xiàn)出電氣參數(shù)失真或熱失穩(wěn)，從而引發(fā)變流器的可靠性問題［1-2］。電力機(jī)車牽引變流器的功率等級(jí)隨著鐵路運(yùn)能需求增長而不斷增大，IGBT的熱損耗隨之增加，與此同時(shí)，牽引變流器的集成度越來越高，對(duì)IGBT冷卻技術(shù)提出了很高的要求。

針對(duì)IGBT的高效散熱問題，水冷方式已被證明是行之有效的散熱方式，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在水冷散熱器的流道結(jié)構(gòu)、形式及微通道等方面開展了廣泛的研究［3-10］。翅柱式結(jié)構(gòu)可以避免來流變得均勻的缺點(diǎn)而起到強(qiáng)化換熱的作用，同時(shí)也會(huì)增強(qiáng)流體的擾動(dòng)性，增大流動(dòng)過程的局部分離損失和漩渦損失，故其流動(dòng)阻力往往大于板翅式結(jié)構(gòu)［6-8］。因此，強(qiáng)化換熱與流動(dòng)阻力這一矛盾關(guān)系是水冷散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。文獻(xiàn)［9］分析了帶小突起棗核狀、光滑棗核狀、菱形、圓形和方形5種翅柱結(jié)構(gòu)的換熱性能與壓力損失特性，結(jié)果表明盡管小突起的細(xì)節(jié)特征尺寸很小，卻使得帶小突起棗核狀翅柱的換熱效果最佳，圓形翅柱的換熱效果最差，光滑棗核狀翅柱的流線型最好、壓降最小，方形翅柱的流線型最差、壓降最大。由于小突起對(duì)流動(dòng)與傳熱會(huì)產(chǎn)生較大的影響，翅柱的網(wǎng)格尺寸不能超出小突起的特征尺寸，導(dǎo)致整體模型的網(wǎng)格數(shù)量急劇增加，受制于臺(tái)式工作站的計(jì)算機(jī)資源限制，文獻(xiàn)［10］采用了先對(duì)流體區(qū)域單獨(dú)計(jì)算流場(chǎng)來確定各支路的流量，再對(duì)單個(gè)支路建立對(duì)稱模型計(jì)算流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的方法。然而該方法的缺點(diǎn)是邊界條件與實(shí)際情況存在一定差異，不能考慮水冷散熱器整體溫度場(chǎng)分布的特點(diǎn)。

本文以帶小突起棗核狀翅柱結(jié)構(gòu)的IGBT水冷散熱器為研究對(duì)象，利用HyperMesh軟件對(duì)IGBT元件與完整散熱器模型劃分了高質(zhì)量網(wǎng)格，借助高性能計(jì)算中心對(duì)水冷散熱器的性能進(jìn)行了分析，并通過搭建水冷測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 水冷散熱器的結(jié)構(gòu)

某大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車牽引變流器的IGBT水冷散熱器采用了帶小突起棗核狀的翅柱結(jié)構(gòu)，翅柱的截面是長6.95 mm、寬2.8 mm棗核形狀，周圍有多個(gè)圓弧半徑為0.1 mm的小突起。6個(gè)IGBT元件可以通過螺栓緊固在安裝區(qū)域上，翅柱主要分布在安裝區(qū)域內(nèi)，以利于IGBT芯片區(qū)域的強(qiáng)化換熱。為使3個(gè)支路上的IGBT元件溫度基本一致，需要考慮冷卻水在3個(gè)支路中均流的問題，因此，出口側(cè)設(shè)置了一段不規(guī)則的泄壓槽來平衡槽道中的流量分配。水冷散熱器的槽道結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 熱仿真分析

2.1 仿真模型

為得到翅柱式IGBT水冷散熱器的整體溫度場(chǎng)，利用HyperMesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，翅柱區(qū)域的網(wǎng)格尺寸選擇0.2 mm，遠(yuǎn)離翅柱區(qū)域的網(wǎng)格逐步過渡至2 mm，最終劃分出以六面體為主、極少數(shù)為棱柱體的高質(zhì)量網(wǎng)格。IGBT元件被硅凝膠灌封保護(hù)，通過元件外殼散失的熱量極少，基本上通過IGBT元件基板向散熱器傳熱，因此，網(wǎng)格劃分時(shí)只需考慮基板、焊料、襯板、芯片等材料層［11］。對(duì)包含IGBT與水冷散熱器的整個(gè)模型劃分的網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到6 550萬，超出了臺(tái)式工作站的處理能力，通過采用中國南車協(xié)同仿真分析平臺(tái)的硬件資源解決了資源不足的問題。

水冷散熱器的設(shè)計(jì)條件是：單個(gè)IGBT元件發(fā)熱量為2 997 W，冷卻介質(zhì)使用50℃的40%乙二醇與60%水的混合物，入口流量30 L/min。圖2和圖3分別為水、40%乙二醇+60%水、50%乙二醇+50%水的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和動(dòng)力粘度隨溫度變化的曲線。由圖可見，3種冷卻介質(zhì)的參數(shù)在同一溫度下有較大的不同，同一種冷卻介質(zhì)在不同溫度下亦有較大的差異，乙二醇與水的配比對(duì)冷卻介質(zhì)的熱物理參數(shù)影響大。因此，在熱設(shè)計(jì)與熱仿真時(shí)必須關(guān)注溫度對(duì)冷卻介質(zhì)的影響。

圖2 密度和比熱容隨溫度變化的曲線Fig.2 Density and specific heat vs.temperature

圖3 導(dǎo)熱系數(shù)和動(dòng)力粘度隨溫度變化的曲線Fig.3 Thermal conductivity and dynamic viscosity vs.temperature

入口設(shè)置為速度入口邊界條件，出口設(shè)置為壓力出口邊界條件，芯片上設(shè)置均勻體積熱源，其余外表面設(shè)置為絕熱邊界條件，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行流動(dòng)狀態(tài)的模擬。將殘差收斂準(zhǔn)則設(shè)置為10-6，并設(shè)置芯片上的最高溫度為監(jiān)控變量，以確保仿真結(jié)果的收斂性。

2.2 仿真結(jié)果

圖4是水冷散熱器內(nèi)部槽道的流速跡線圖，可以大致看出冷卻介質(zhì)在槽道內(nèi)的流動(dòng)情況，最大流速主要出現(xiàn)轉(zhuǎn)折區(qū)域，局部最大流速為2.02 m/s。從各支路較為均勻一致的流速分布可知，各支路的流量分配基本相等。

圖4 流速跡線Fig.4 Path line of velocity

圖5 是水冷散熱器溫度場(chǎng)分布。圖5（a）表示整體的溫度場(chǎng)分布，表現(xiàn)出入口受冷卻介質(zhì)的影響而最低，冷卻介質(zhì)進(jìn)入3個(gè)支路后帶走熱量，每個(gè)支路中處于下游的IGBT元件溫度高于上游的特點(diǎn)。水冷散熱器上IGBT元件芯片溫度最高，為107.88℃，對(duì)應(yīng)的溫升為57.88 K，該溫度值與IGBT元件所能允許的溫度極限值125℃相比，尚有17.12℃的裕量，說明IGBT元件使用該水冷散熱器是可以在額定工況下正常運(yùn)行的。圖5（b）表示水冷散熱器安裝面的溫度場(chǎng)分布，溫度標(biāo)尺采用所見即所得方式，每個(gè)支路下游位置的溫度高于上游，靠近出口側(cè)的支路溫度略低于靠近入口側(cè)的支路，原因在于該支路有少部分熱量會(huì)被出口側(cè)流道中的冷卻介質(zhì)帶走，中間支路溫度最高的原因是中間支路被兩側(cè)支路加熱而有所增溫。由圖5還可以看出，IGBT元件安裝區(qū)域的溫度是不相等的，最高溫度位于中間支路下游芯片正下方，為75.59℃，對(duì)應(yīng)的溫升為25.59 K，該溫度值與IGBT元件芯片上的最高溫度值相差32.29℃。

圖5 基于IGBT發(fā)熱的溫度場(chǎng)分布Fig.5 Temperature field distribution based onthe heating of IGBT

3 溫升實(shí)驗(yàn)

圖6 水冷測(cè)試系統(tǒng)原理Fig.6 Principle diagram of water－cooling system

為測(cè)試水冷散熱器的散熱性能，搭建了一套水冷測(cè)試系統(tǒng)，其原理如圖6所示。水冷測(cè)試系統(tǒng)主要由儲(chǔ)水箱、流體溫度調(diào)節(jié)裝置、水泵、流量調(diào)節(jié)裝置、排氣閥、管路、儀器儀表、熱源單元等組成。熱源單元由模擬熱源、穩(wěn)壓電源、單相調(diào)壓器、電壓電流測(cè)量儀表等組成，穩(wěn)壓電源將工業(yè)用電調(diào)節(jié)為偏差±0.5%的單相220 V交流電壓，單相調(diào)壓器調(diào)節(jié)模擬熱源的電壓，使模擬熱源的功率滿足使用要求。

水冷系統(tǒng)中采用模擬熱源代替IGBT元件進(jìn)行散熱器熱性能測(cè)試，主要出于以下考慮［12-17］：①IGBT元件需要驅(qū)動(dòng)、控制等設(shè)備，系統(tǒng)組成復(fù)雜；②IGBT元件不能長時(shí)間運(yùn)行于極限工況；③IGBT元件的損耗特性依賴于芯片結(jié)溫，容易因結(jié)溫的波動(dòng)而帶來很大的實(shí)驗(yàn)誤差；④因IGBT元件的芯片被絕緣材料封裝起來，需將絕緣材料去除后才能測(cè)出其內(nèi)部芯片的結(jié)溫，易使IGBT元件遭受機(jī)械損傷；⑤IGBT元件的成本高。諸多因素說明IGBT元件不適合直接作為散熱器性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)熱源，因此，開發(fā)的一款模擬熱源由銅塊、鋁塊、電熱管、隔熱板等常規(guī)材料組成。為便于熱電偶的引出，銅塊底部開4 mm×4 mm矩形槽，鋁塊上鉆多個(gè)圓孔則用于安裝電熱管，模擬熱源的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 模擬熱源結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Sketch map of structure of simulated heat source

實(shí)驗(yàn)步驟為：①準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需的工具；②在散熱器上標(biāo)記測(cè)溫點(diǎn)位置（見圖8）并鉆小孔，用錐尖擠壓附近金屬使熱電偶與散熱器臺(tái)面緊密接觸；③在模擬熱源安裝面均勻涂抹一層薄的導(dǎo)熱硅脂，然后放于散熱器對(duì)應(yīng)孔位上，熱電偶線從模擬熱源底部的開槽中引出并做好順序標(biāo)記，根據(jù)對(duì)角交叉緊固原則和規(guī)定力矩將模擬熱源進(jìn)行螺栓緊固；④水冷散熱器的入口和出口安裝Staubli公司的SPT12型號(hào)快速接頭，再用軟管與水冷測(cè)試系統(tǒng)管路連接好；⑤設(shè)定水冷測(cè)試系統(tǒng)的流量；⑥將調(diào)壓器與穩(wěn)壓電源連接好，模擬熱源的電熱管引線與調(diào)壓器連成回路，依次開啟電源和穩(wěn)壓電源，調(diào)節(jié)調(diào)壓器使模擬熱源達(dá)到所需的功率；⑦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)據(jù)采集記錄，若更換工況測(cè)試時(shí)，應(yīng)先停止加熱功率，進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，再調(diào)節(jié)加熱功率，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)據(jù)采集記錄；⑧完成測(cè)試后，將調(diào)壓器調(diào)零，關(guān)閉穩(wěn)壓電源，水冷測(cè)試系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間使模擬熱源冷卻至規(guī)定的溫度，將水冷散熱器的流量調(diào)零，關(guān)閉水冷測(cè)試系統(tǒng)和電源；⑨拆除散熱器上的模擬熱源和熱電偶，將散熱器放到實(shí)驗(yàn)樣品架存放。圖9為實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)。

圖8 測(cè)溫點(diǎn)位置Fig.8 Position of temperature measuring points

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.9 Test equipment

實(shí)驗(yàn)時(shí)，室溫為19.3℃，考慮將配比為40%乙二醇與60%水的冷卻介質(zhì)從室溫加熱至穩(wěn)定的50℃，需要較長時(shí)間。因此，直接選取了室溫下的純水為冷卻介質(zhì)，入口流量設(shè)置為30 L/min，每個(gè)模擬熱源的功率調(diào)節(jié)為2 997 W，待溫度穩(wěn)定后得到了30個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度值。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

為了利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證水冷散熱器仿真方法的可行性，以實(shí)驗(yàn)條件作為仿真的輸入?yún)?shù)，對(duì)帶有6個(gè)模擬熱源的水冷散熱器進(jìn)行了網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置與仿真分析。

圖10是基于模擬熱源發(fā)熱的溫度場(chǎng)分布。圖10（a）表示整體，可以看出模擬熱源與水冷散熱器的表面溫度場(chǎng)分布情況，最高溫度出現(xiàn)在模擬熱源的電熱管上，為 73.61 ℃，對(duì)應(yīng)的溫升為 54.31 K。圖10（b）表示水冷散熱器安裝面的溫度場(chǎng)分布，最高溫度值為39.17℃，對(duì)應(yīng)的溫升為19.87 K。從溫升的對(duì)比可知，基于模擬熱源發(fā)熱的溫升計(jì)算結(jié)果要比基于IGBT發(fā)熱方式的低。從圖10（b）與圖5（b）的溫度場(chǎng)分布對(duì)比可知，由于模擬熱源的發(fā)熱行為與IGBT有很大的差異，導(dǎo)致水冷散熱器安裝面上的溫度分布特點(diǎn)明顯不同，一方面說明基于模擬熱源的仿真或?qū)嶒?yàn)結(jié)果是不能與基于IGBT發(fā)熱方式的結(jié)果直接進(jìn)行比較的，另一方面也說明開發(fā)出一款能夠與IGBT發(fā)熱方式相近的模擬熱源是值得深入研究的課題［12-14］。

Fig.10 基于模擬熱源發(fā)熱的溫度場(chǎng)分布Fig.10 Temperature field distribution based on the heating of simulated heat source

由于圖10所示的溫度場(chǎng)結(jié)果是基于實(shí)驗(yàn)條件中相同的參數(shù)而得到的，因此，可以對(duì)30個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度值進(jìn)行比較。圖11是仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比情況，可以看出大多數(shù)實(shí)驗(yàn)得到的各測(cè)溫點(diǎn)溫度值略高于仿真結(jié)果。以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，各測(cè)溫點(diǎn)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的相對(duì)誤差在4%以內(nèi)，由此可以說明仿真方法的可行性與仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖11 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.11 Comparison of simulation results with experimental data

5 結(jié)語

本文以帶小突起棗核狀翅柱結(jié)構(gòu)的IGBT水冷散熱器為研究對(duì)象，分別利用HyperMesh軟件對(duì)幾何模型劃分高質(zhì)量網(wǎng)格與求解計(jì)算，不僅可以得到水冷散熱器內(nèi)部的流速分布，還可以直觀地分析IGBT與水冷散熱器不同部位的溫度分布特點(diǎn)，為產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)方案提供了依據(jù)。通過水冷散熱器的溫升實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真方法的可行性。開發(fā)出的水冷散熱器已批量應(yīng)用于大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車牽引變流器中，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營情況良好。因此，在水冷散熱器產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期，采用熱仿真的方法可為產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)提供有效的理論指導(dǎo)，有利于提升產(chǎn)品的可靠性。

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