電機控制器IGBT散熱器的分析與改進

曾鵬，言艷毛，楊洪波，陳竹，王錢超

（湖南中車時代電動汽車股份有限公司，湖南株洲412007）

電機控制器IGBT散熱器的分析與改進

曾鵬，言艷毛，楊洪波，陳竹，王錢超

（湖南中車時代電動汽車股份有限公司，湖南株洲412007）

對試制的散熱器進行熱阻試驗，采用計算流體動力學(xué)分析軟件FJUENT進行流-固-熱耦合仿真分析，并得到試驗驗證。利用驗證后的仿真模型、邊界條件及所設(shè)參數(shù)對改進后的散熱器進行仿真分析，并對

其中最好方案進行熱阻試驗，驗證改進效果。

電機控制器；散熱器；IGBT；FJUENT

電機控制器是電動汽車動力系統(tǒng)的主要控制單元［1］，具有要求控制精度高、可靠性高、防護等級高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點。IGBT是電機控制器的核心功率元件，其在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱損耗，如果熱量不能夠被及時帶走而在控制器內(nèi)部集聚，將會使IGBT的工作能力和穩(wěn)定性下降，甚至炸裂［2］。而IGBT所發(fā)出的熱量絕大部分需要散熱器傳遞到外部環(huán)境。因此，散熱器性能的好壞對電機控制器的工作性能有著重要的影響。

傳統(tǒng)的散熱器設(shè)計主要根據(jù)經(jīng)驗和有限的計算公式，并通過不斷試驗驗證來完成整個散熱器的開發(fā)，導(dǎo)致其生產(chǎn)周期長、成本高。近年來，隨著計算機和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了很多成熟的商用熱設(shè)計仿真軟件，在解決散熱器的熱流固耦合問題上發(fā)揮了重要作用［3］。本文運用PROE與FLUENT熱流動分析軟件，建立電機控制器的散熱器仿真模型，并通過試驗驗證了仿真分析的準(zhǔn)確性；同時，基于該仿真模型對不同翅片數(shù)量、高度、寬度的散熱器進行分析，優(yōu)化出一個散熱效果最好的模型，最后再對改進后的散熱器進行熱阻試驗，驗證改進后的效果。

1　散熱器結(jié)構(gòu)及熱阻試驗

電機控制器的散熱器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，IGBT安裝在基板上，將熱量傳導(dǎo)給翅片，翅片表面與冷卻液接觸，通過對流換熱把熱量交換給冷卻液，最后熱量被釋放到外界環(huán)境中。散熱器內(nèi)冷熱介質(zhì)的流動和熱傳導(dǎo)過程可分為4個過程:散熱器固體域內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程；冷卻液與散熱器固體表面之間的對流換熱過程；冷卻液在散熱器水腔內(nèi)的流動過程；散熱器外表面通過輻射與空氣的對流的散熱過程。但是對于液冷的強迫對流換熱，輻射與空氣自然對流換熱所占的比例非常小，可以忽略［4］。故該問題屬于流體流動、流固對流換熱和固體熱傳導(dǎo)等多物理場耦合過程。

圖1　散熱器結(jié)構(gòu)示意圖

本文中方案1散熱器的外形尺寸為280mm×160 mm×20mm，為了簡化計算模型、加快計算速度，刪除了一些對計算結(jié)果與精度影響很小的結(jié)構(gòu)，包括密封槽、外部倒圓角及若干螺栓孔。共有3個IGBT裝在散熱器表面，如圖2所示，內(nèi)部水腔的布置圖見圖3。

圖2　 IGBT安裝圖

圖3　方案1冷卻板水腔布置圖

方案1散熱器的材料及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，主要工作參數(shù)如下:冷卻介質(zhì)為水，冷卻液流量:10 L/min，單個IGBT發(fā)熱功率:548W，單個IGBT與散熱器接觸面積為7 485mm2。

表1　散熱器材料性能參數(shù)及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)GB/T 8446.2-2004《電力半導(dǎo)體器件用散熱器第2部分:熱阻和流阻測試方法》，使用與IGBT尺寸相同的發(fā)熱模塊代替IGBT，發(fā)熱模塊內(nèi)置發(fā)熱電阻［5］，通過調(diào)節(jié)電壓和電流來控制發(fā)熱功率，通過調(diào)節(jié)進水管閥門來調(diào)節(jié)冷卻液流量［6］。在散熱器表面均勻布置9個Pt100熱電偶，如圖4所示。

表2　方案1散熱器熱阻試驗與仿真分析的溫度值數(shù)據(jù)對比

圖4　熱電偶布置圖

在試驗前對熱電偶在0℃和100℃進行校準(zhǔn)，選取符合精度的熱電偶進行溫度測量。然后對方案1散熱器進行熱阻試驗，試驗數(shù)據(jù)見表2中相關(guān)部分，試驗時冷卻液流量為10 L/min。

2　仿真分析

散熱器流動與傳熱特性主要受腔體內(nèi)流動的影響，因而在分析計算中，忽略冷卻腔進口段和出口段對整體特征參數(shù)的影響，并假定流動在進口段和出口段充分發(fā)展。

由于散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，很難將整個散熱器模型全部劃分為六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，故使用ANSYS網(wǎng)格劃分工具將流動區(qū)域劃分為均勻網(wǎng)格尺寸0.8mm的四面體網(wǎng)格，將固體區(qū)域劃分為均勻網(wǎng)格尺寸1mm的四面體網(wǎng)格。整體單元數(shù)約為500萬個。

輸出網(wǎng)格到Fluent中，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法處理；采用SIMPLE算法求解壓力-速度耦合，動量、能量、湍流動能和湍流耗散率離散格式均取一階迎風(fēng)差分格式。

為了能使仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果具有可對比性，在仿真分析中設(shè)置冷卻液進口溫度為試驗中測量的進水溫度，出口設(shè)置為大氣壓［6］，所有與環(huán)境空氣接觸面設(shè)置為絕熱面。散熱器表面溫度分布仿真分析結(jié)果如圖5所示。提取相同位置的溫度仿真值與試驗值進行對比，如表2所示。

圖5　散熱器表面溫度云圖

可以看出，仿真分析值與試驗實測值的偏差較小，說明在仿真分析中建立的模型、設(shè)置的邊界條件和所取的參數(shù)是合理的，因此可以將此仿真分析用于散熱器的優(yōu)化改進。

3　散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進

衡量散熱器性能好壞的主要參數(shù)為流阻和熱阻，流阻定義為:散熱器兩端規(guī)定點的冷卻液的壓力差，單位為Pa，試驗時可直接由壓差計讀出，本文中流阻為散熱器冷卻液進、出口處壓力差；熱阻定義為:在熱平衡時，散熱器表面上規(guī)定點溫度對冷卻介質(zhì)規(guī)定點溫度之差與產(chǎn)生這兩點溫度差的耗散功率之比，如下式:

式中:Rsa為散熱器熱阻，℃/W；P為發(fā)熱功率，W；Ts為散熱器表面上規(guī)定點溫度，℃；Tτ為冷卻介質(zhì)進口規(guī)定點溫度，℃。

其中熱阻直接影響的是被散熱元件的工作溫度，而流阻主要影響的是為散熱器提供冷卻液的水泵的能耗，理想情況下希望流阻與熱阻值都越小越好。但是在實際工程運用中，大部分情況下流阻與熱阻的優(yōu)化是相互矛盾的，即降低流阻會提高熱阻，降低熱阻就會提高流阻。因此，熱阻才是衡量散熱器性能優(yōu)劣的本質(zhì)參數(shù)，降低熱阻是散熱器設(shè)計的最終目的，不能拋開熱阻去優(yōu)化流阻，所以在散熱器的設(shè)計中通常要求的是設(shè)定一個流阻的上限（例如流阻不大于30 kPa），熱阻值越小越好。故在本文中，所有散熱器的優(yōu)化改進都以降低熱阻為目標(biāo)。

在電機控制器額定溫度運行工況中，發(fā)熱功率為常數(shù)值，冷卻水進口溫度值也可認(rèn)為是定常值，故降低散熱器表面溫度是減小熱阻的有效途徑。而表面溫度是由散熱器固體區(qū)域間的熱傳導(dǎo)和冷卻液與散熱器接觸面之間的熱對流共同作用決定的，熱傳導(dǎo)現(xiàn)象遵循傅里葉定律［7］，如下式:

式中:Q為導(dǎo)熱熱流量，W；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；A為導(dǎo)熱面積，m2；dt/dx為沿?zé)崃總鬟f方向的溫度變化率。對流換熱基本計算公式為牛頓冷卻公式:

式中:Q為對流換熱量，W；h為對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；A為對流換熱面積，m2；Δt為固體表面與流體的溫差。

針對本文中的分析，結(jié)合理論公式，要想減小熱阻需從以下幾個方面入手:減小IGBT散熱面與冷卻液的距離，即散熱器頂面厚度；增加對流換熱面積；加強對流換熱系數(shù)（增加冷卻液流速）。

遵照以上散熱器的優(yōu)化改進原則，在散熱器外形尺寸不改變的情況下，通過改變翅片厚度、高度、翅片間隙［8］與基板厚度值，另建立了3種散熱器模型，分別為方案2、方案3和方案4，詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸對比見表3。4種方案的結(jié)構(gòu)相同，只是部分尺寸不同。

表3　不同方案散熱器主要參數(shù)對比

將方案2-4這3種散熱器用前文中驗證好的仿真模型進行仿真分析，對結(jié)果進行對比分析，散熱器表面溫度分布如圖6所示。

圖6　 10 L/min工況下不同方案散熱器表面溫度云圖

從圖6可以看出，方案4散熱器的表面溫度最低，說明此方案的散熱器散熱能力最好。因此按照方案4加工出最新的散熱器實物，并進行散熱器熱阻試驗。冷卻液流量10 L/min工況下溫度值試驗數(shù)據(jù)與模擬值對比見表4。

表4　方案4散熱器熱阻試驗與仿真分析的溫度值數(shù)據(jù)對比

最后，對比分析方案1與方案4在不同冷卻液流量工況下的熱阻值，如表5和圖7所示。

表5　方案1與方案4散熱器不同流量工況下的熱阻試驗數(shù)據(jù)對比℃/W

圖7　方案1與方案4散熱器熱阻試驗數(shù)據(jù)對比

從表5中可以看出，方案4散熱器較方案1散熱器各流量工況下的熱阻都有所降低，達(dá)到了對散熱器進行優(yōu)化改進的目的。流量越大流阻相差越明顯，這是由于冷卻液流量在由小變大的過程中，流動狀態(tài)由穩(wěn)定的層流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的紊流，流量越大，紊流越強烈，散熱效果越好［9-10］。

4　結(jié)論

通過對電機控制器IGBT散熱器進行熱仿真分析及熱阻試驗，證明仿真分析可應(yīng)用于實際工程問題，能夠縮短開發(fā)周期、節(jié)省研發(fā)成本。熱阻是衡量散熱器性能好壞的主要參數(shù)，通過調(diào)整基板厚度、翅片的高厚與翅片間隙，能夠調(diào)整散熱器熱阻值，從而達(dá)到優(yōu)化改進散熱器的目的。

［1］崔勝民.新能源汽車技術(shù)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2014.

［2］張新鵬，張廣泰，張輝亮，等.螺旋流道水冷IGBT散熱器數(shù)值模擬及試驗研究［J］.電力電子技術(shù)，2014，48（2）:71-73.

［3］任國峰，田豐，張樹梅，等.汽車控制器的熱設(shè)計研究［J］.汽車技術(shù)，2014，45（10）:1-3.

［4］李玉寶，王建萍，呂召會.矩形肋片散熱器幾何參數(shù)對散熱的影響分析［J］.電子機械工程，2012，28（2）:4-7.

［5］西安電力電子技術(shù)研究所.電力半導(dǎo)體器件用散熱器:第2部分熱阻和流阻測試方法:GB/T 8446.2-2004［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004:2.

［6］王雄，馬伯樂，陳明翊，等.軌道車輛大功率IGBT散熱器的熱設(shè)計與試驗研究［J］.機車電傳動，2012，35（4）:71-73.

［7］王福軍.計算流體動力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［8］王經(jīng).傳熱學(xué)與流體力學(xué)基礎(chǔ)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2007.

［9］徐德好.微通道液冷冷板設(shè)計與優(yōu)化［J］.電子機械工程，2006，22（2）:14-18.

［10］張兆順，崔桂香.流體力學(xué)［M］.2版.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

修改稿日期:2016-07-28

Analysisand Im provement on IGBT Radiator ofM otor Controller System

ZengPeng，Yan Yanmao，Yang Hongbo，Chen Zhu，WangQianchao
（Hunan CRRCTimes Electric Vehicle Co.，Ltd，Zhuzhou 412007，China）

First，the thermal resistanceexperiment iscarried out fora trialmade radiator，and the computational fluid dynamic software FLUENT isused tosimulate the couplinganalysis，the accuracy of thesimulation results isverified by theexperimentaldata.Then，the improved radiator issimulated and analyzed byusing theverified simulation model，boundary conditionsand design parameters.Finally，the authors verify the cooling effectof the best scheme among the improved radiatorsby thermal resistanceexperiment.

motor controller；radiator；IGBT；FLUENT

U469.72；U463.6

B

1006-3331（2016）05-0048-04

曾鵬（1988-），男，主要從事電驅(qū)動產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計與研發(fā)工作。