用于地鐵變流器的平板微熱管散熱器數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 長沙 410083)

變流器是電力機(jī)車的關(guān)鍵部件，而絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊是變流器的核心部件。隨著IGBT模塊功率密度的增加，其熱失效和熱退化現(xiàn)象越來越突出，根據(jù)IGBT模塊的失效機(jī)理可知，在長期高溫?zé)嵫h(huán)的作用下，會(huì)導(dǎo)致芯片鍵合線斷裂或脫落、芯片與襯板之間及襯板與基板之間的焊料層老化、柵極氧化層損壞和芯片失效等問題，因此IGBT模塊的散熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1-2]。

風(fēng)冷、液冷、熱管散熱器是變流器目前最主要的散熱方式[3-8]。胡建輝等[9-10]建立了較為準(zhǔn)確的IGBT模塊通態(tài)損耗和開關(guān)損耗的計(jì)算方法，考慮了溫度對(duì)損耗的影響，并采用等效熱阻法推導(dǎo)出各點(diǎn)溫度，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。徐鵬程等[11]利用有限元體積法研究了翅片厚度和翅片間距對(duì)熱管式散熱器散熱性能的影響。陳修強(qiáng)[12]結(jié)合圓柱形銅熱管與環(huán)肋散熱技術(shù)設(shè)計(jì)了一種IGBT用熱管散熱器，該種散熱器能使基板溫度趨于均勻，使整體溫度降低5～11 ℃。賀榮等[13]針對(duì)CRH2高速動(dòng)車組牽引變流器散熱要求，改進(jìn)了傳統(tǒng)銅熱管，提出一種階梯狀變截面熱管結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)出新型熱管散熱器。綜上所述，研究散熱器和IGBT模塊溫升的方法主要有實(shí)驗(yàn)分析法、仿真分析法、熱阻網(wǎng)絡(luò)法，大部分研究集中于IGBT模塊的穩(wěn)態(tài)方面，對(duì)于瞬態(tài)研究較少；對(duì)于熱管散熱器，采用的熱管多為傳統(tǒng)圓柱形銅熱管，與平板微熱管相比，具有接觸面積較小、安裝復(fù)雜等缺點(diǎn)。

本文以某型號(hào)地鐵變流器為研究對(duì)象，以傳統(tǒng)翅片散熱器為基礎(chǔ)，將寬40 mm、厚3 mm的平板微熱管鑲嵌到傳統(tǒng)翅片散熱器中，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究。先利用ICEPAK軟件對(duì)傳統(tǒng)翅片散熱器與平板微熱管散熱器進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析，對(duì)比優(yōu)化前后的性能差別，驗(yàn)證平板微熱管散熱器的優(yōu)越性。并在25 ℃恒溫條件下，對(duì)兩種散熱系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測試瞬態(tài)溫升情況，以驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 平板微熱管散熱器結(jié)構(gòu)

根據(jù)某型號(hào)地鐵變流器的工作特性得知，該變流器僅在機(jī)車出庫與入庫斷電情況下啟動(dòng)4 min，其余時(shí)間為不工作狀態(tài)。在變流器中主要發(fā)熱元件為IGBT模塊，傳統(tǒng)翅片散熱器難以滿足其散熱性能要求。采用平板微熱管散熱器自然風(fēng)冷的方式，可以省去風(fēng)道和風(fēng)機(jī)，簡化散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少風(fēng)機(jī)故障隱患和振動(dòng)噪聲等影響。

本文提出的平板微熱管散熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，由鋁制翅片散熱器、平板微熱管及IGBT模塊組成，翅片散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1 散熱器；2 平板微熱管；3 IGBT1；4 IGBT2；5 IGBT3；6 IGBT4；7 IGBT5。圖1 平板微熱管散熱器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural of flat-plate micro-heat pipe radiator

散熱器參數(shù)數(shù)值基板長度L/mm0.4基板寬度W/mm0.57基板厚度l/mm0.018翅片厚度δ/mm0.002翅片高度H/mm0.06翅片數(shù)量N/mm73翅片間距s/mm0.005

平板微熱管為一種導(dǎo)熱能力超強(qiáng)的導(dǎo)熱元件，由微槽道鋁扁管和少量工質(zhì)組成，IGBT模塊基板與熱管接觸部分為熱管蒸發(fā)段，散熱器與熱管接觸部分為熱管冷凝段。實(shí)驗(yàn)研究表明平板微熱管具有均溫性好、啟動(dòng)時(shí)間短、導(dǎo)熱功率大等優(yōu)點(diǎn)[14]。本文使用的平板微熱管厚度為3 mm，寬度為40 mm，長度分別為306 mm和186 mm，在翅片散熱器基板上銑安裝槽，將熱管內(nèi)嵌到基板上，通過導(dǎo)熱環(huán)氧膠固定。與傳統(tǒng)鋁制翅片散熱器結(jié)合有以下優(yōu)點(diǎn)：1)利用平板微熱管的良好均溫性和變流熱密度導(dǎo)熱的特性，以很小的溫差獲得較大的翅片擴(kuò)展面積，提高翅片散熱效率；2)將散熱器整體豎直放置，重力協(xié)助冷凝段液體回流，增強(qiáng)熱管的毛細(xì)極限，減小平板微熱管熱阻，并促進(jìn)翅片間形成煙囪效應(yīng)，增大對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；3)使用鋁制散熱器，一體化設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)簡化，重量降低。

2 系統(tǒng)總熱阻及芯片結(jié)溫的理論計(jì)算

根據(jù)物理模型建立散熱器的熱阻等效電路模型，將散熱系統(tǒng)的損耗功率等效為電流源，熱阻產(chǎn)生的溫差等效為電壓，熱阻等效為電阻，熱阻等效電路模型如圖2所示。

P：IGBT模塊熱損耗；TJ：IGBT模塊的結(jié)點(diǎn)溫度；TC：IGBT模塊管殼溫度；TS：散熱器表面平均溫度；TK：環(huán)境溫度；RJ-C：IGBT模塊的結(jié)殼熱阻；RC-K：IGBT模塊管殼與大氣間的熱阻；RC-S：IGBT模塊管殼與散熱器間的熱阻；RS-K：散熱器與大氣間的熱阻。圖2 散熱器的熱阻等效電路Fig.2 Thermal resistance equivalent circuit of radiator

因?yàn)镽C-K相較于其他熱阻很大，在并聯(lián)熱阻網(wǎng)路中可以忽略不計(jì)，所以根據(jù)其熱阻網(wǎng)絡(luò)可得IGBT散熱器總熱阻及各關(guān)鍵點(diǎn)溫度。

總熱阻R：

《標(biāo)準(zhǔn)化法》第25條規(guī)定：“不符合強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品、服務(wù)，不得生產(chǎn)、銷售、進(jìn)口或者提供”。對(duì)于此條應(yīng)當(dāng)如何抽象界定主旨、如何進(jìn)行解釋，《中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)化法釋義》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)化法釋義》）的回答極為有趣且簡短，不妨照錄如下：

R=RJ-C+RC-S+RS-K=

(1)

其中，RJ-C主要由IGBT封裝結(jié)構(gòu)決定，根據(jù)技術(shù)手冊(cè)，取值為0.064 K/W；RC-S主要由熱界面材料決定，取值為0.01 K/W；RS-K主要由散熱器材料和結(jié)構(gòu)決定。根據(jù)技術(shù)要求，需要控制芯片結(jié)溫的最高溫度<125 ℃，散熱器基板的最高溫度<85 ℃。

3 散熱系統(tǒng)仿真分析

本文利用ICEPAK軟件對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。首先，利用Solidworks建立三維模型，導(dǎo)入ICEPAK設(shè)置材料屬性、建立邊界條件、劃分非連續(xù)性網(wǎng)格、設(shè)置求解參數(shù)；最后，采用FLUENT求解器進(jìn)行求解計(jì)算。

3.1 CFD控制方程

當(dāng)空氣流經(jīng)散熱器時(shí)，滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，因此控制方程為：

連續(xù)性方程：

(2)

動(dòng)量方程：

(3)

能量方程：

(4)

式中：u為速度矢量，m/s；ρ為密度，kg/m3；T為熱力學(xué)溫度,℃；p為壓力，Pa；τ為應(yīng)力張量；g為重力加速度矢量，m/s2；cp為比定壓熱容，J/(kg·℃)；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；Q為體積熱源，W。

3.2 建立CFD仿真模型

熱管散熱器內(nèi)部涉及復(fù)雜的相變過程，本文主要研究平板微熱管散熱器的散熱性能，因此將熱管假設(shè)為軸向?qū)嵯禂?shù)很高、徑向?qū)嵯禂?shù)為熱管材料導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)體棒桿[3,15]?？紤]到自然對(duì)流散熱流體區(qū)域?qū)Ψ抡婢扔袠O大影響，在建立的IGBT散熱模塊三維幾何模型的外側(cè)建立合理的流體區(qū)域，對(duì)整體模型進(jìn)行多級(jí)網(wǎng)格劃分[16]。因此對(duì)散熱器與IGBT模塊部分取網(wǎng)格基本尺寸為1 mm，在其周圍創(chuàng)建5 mm的邊界層，在遠(yuǎn)離IGBT模塊與散熱器區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格尺寸過渡至5 mm?？傮w網(wǎng)格數(shù)量約為200萬，網(wǎng)格劃分結(jié)果及局部網(wǎng)格劃分放大圖如圖3所示。

圖3 整體網(wǎng)格及局部網(wǎng)格放大圖Fig.3 Integral mesh and local grid enlargement

IGBT模塊芯片在導(dǎo)通與開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生通態(tài)損耗與開關(guān)損耗，通過給定的電氣參數(shù)計(jì)算可知IGBT1、IGBT2最大熱損耗為520 W，IGBT3、IGBT4最大熱損耗為450 W，IGBT5最大熱損耗為312 W。設(shè)置芯片的熱源時(shí)，將其設(shè)置為均勻的體熱源。環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃，散熱器材料為6063鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)為201 W/(m·℃)，密度為2 710 kg/m3；導(dǎo)熱環(huán)氧膠導(dǎo)熱系數(shù)為1.2 W/(m·℃)；導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)為2.6 W/(m·℃)，涂抹厚度為0.07 mm。使用DO輻射模型，Zero equation湍流模型，考慮密度隨溫度的變化與重力，打開Boussinesq模型。計(jì)算散熱器與IGBT模塊在工作4 min及停機(jī)1 min內(nèi)的溫度變化，使用瞬態(tài)計(jì)算，迭代步長為1 s。

3.3 瞬態(tài)結(jié)果分析

變流器IGBT模塊在最大熱損耗工況下工作4 min，停機(jī)1 min的溫升曲線如圖4所示，監(jiān)控點(diǎn)VT1～VT5分別在IGBT1～I(xiàn)GBT5散熱器基板安裝位置的中心處。

在極限工況下，模擬熱源在工作時(shí)間0～240 s范圍內(nèi)，各測點(diǎn)溫度呈線性上升趨勢(shì)，超過240～300 s，因?yàn)镮GBT模塊停止工作，各測點(diǎn)溫度下降。在不加熱管的情況下，基板上的最高溫度為91.46 ℃，高于散熱器基板最高溫度85 ℃的要求，且各測點(diǎn)間的溫差較大，高達(dá)29.31 ℃。加熱管之后，基板上的最高溫度為72.22 ℃，滿足要求且各測點(diǎn)間的溫差較小，說明平板微熱管散熱器基板均溫性明顯提升。

圖4 平板微熱管散熱器與傳統(tǒng)翅片散熱器仿真溫升對(duì)比Fig.4 Comparison of simulation temperature rise between flat plate micro heat pipe radiator and traditional fin radiator

圖5 平板微熱管散熱器與傳統(tǒng)翅片散熱器仿真溫度云圖對(duì)比Fig.5 Comparison of simulated temperature cloud between flat plate micro heat pipe radiator and traditional fin radiator

圖5所示為平板微熱管與傳統(tǒng)翅片散熱器仿真溫度云圖。由圖5可知，加熱管情況下散熱器整體溫度分布較均勻，溫度較高部分為IGBT模塊基板上表面，平板微熱管可以極大增加IGBT模塊局部散熱效果。在散熱器翅片方向上，加熱管時(shí)翅片平均溫度大于不加熱管時(shí)翅片平均溫度，但其最大溫度低于不加熱管時(shí)。由此可知，平板微熱管散熱器可以解決局部溫度過高的問題，且提高翅片散熱效率。在后期設(shè)計(jì)時(shí)，可將IGBT模塊由豎直安裝改為橫向安裝，這樣可以改善散熱器在橫向溫差較大的情況，也可以增大橫向安裝尺寸，在IGBT模塊下安裝更多平板微熱管，提高散熱器的散熱效果。

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為驗(yàn)證平板微熱管散熱器的可行性與仿真結(jié)果的正確性，對(duì)其進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)。因?yàn)镮GBT元件的損耗特性與溫度有很大關(guān)系，易受溫度波動(dòng)而帶來較大實(shí)驗(yàn)誤差，且IGBT元件不能在極限工況下長時(shí)間工作。為保證實(shí)驗(yàn)精度與IGBT元件的安全性，在實(shí)驗(yàn)研究中采用模擬熱源代替IGBT元件[17]。

平板微熱管散熱器實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)如圖6所示。在高低溫交變實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)的溫升實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用的模擬熱源由鋁塊與單頭加熱棒組成，單根單頭加熱棒的額定功率為150 W，根據(jù)各個(gè)IGBT元件的極限熱損耗，在鋁塊中布置單頭加熱棒，加熱功率由兩個(gè)3 000 VA交流變壓器調(diào)節(jié)。為減小模擬熱源與散熱器之間的接觸熱阻，在其中間均勻涂抹一層導(dǎo)熱硅脂(約70 μm厚)。為準(zhǔn)確測量模擬熱源安裝底面基板溫度，使K型熱電偶與模擬熱源安裝底面緊密貼合。在散熱器模擬熱源覆蓋的基板正下方開深2 mm、寬2 mm的線槽，方便熱電偶的線引出，最后用力矩扳手將模擬熱源按照規(guī)定力矩安裝到散熱器上。溫度采集模塊每隔1 s采集一次數(shù)據(jù)，并利用Fluke Ti450紅外熱成像儀來獲得平板微熱管散熱器的整體溫度分布，以驗(yàn)證平板微熱管散熱器的均溫性。

圖7 平板微熱管散熱器與傳統(tǒng)翅片散熱器實(shí)驗(yàn)溫度云圖對(duì)比Fig.7 Comparison of experimental temperature cloud between flat plate micro heat pipe radiator and traditional fin radiator

圖6 平板微熱管散熱器實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)Fig.6 Experimental test system for flat plate microheat pipe radiator

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用Fluke Ti450紅外熱成像儀測得平板微熱管與傳統(tǒng)翅片散熱器基板側(cè)和翅片側(cè)的溫度云圖如圖7所示。對(duì)比仿真云圖(圖5)可知，仿真云圖大致反映了真實(shí)情況下平板微熱管與傳統(tǒng)翅片散熱器的溫度分布。

對(duì)比圖7(a)與圖7(b)可知，左下方2個(gè)模擬熱源功率大于右邊3個(gè)模擬熱源，所以在無熱管情況下，左下方2個(gè)模擬熱源產(chǎn)生的熱量積聚速度大于右邊3個(gè)模擬熱源，使左下方2個(gè)模擬熱源溫度大于右邊3個(gè)模擬熱源溫度。在有熱管情況下，因?yàn)槠桨逦峁艿母邿釋?dǎo)率、變熱流密度導(dǎo)熱的特點(diǎn)，能夠使左下方2個(gè)模擬熱源的熱量迅速散發(fā)到散熱器其他部位，所以下方4個(gè)模擬熱源溫差較小。

圖8 平板微熱管散熱器與傳統(tǒng)翅片散熱器實(shí)驗(yàn)溫升對(duì)比Fig.8 Comparison of experimental temperature rise between flat plate micro heat pipe radiator and traditional fin radiator

布置在模擬熱源與散熱器基板線槽之間的K型熱電偶可以測得散熱器基板上的最大溫度，其溫升曲線如圖8所示。在極限工況下，模擬熱源在工作時(shí)間0～240 s范圍內(nèi)，各測點(diǎn)溫度呈線性上升趨勢(shì)，超過240 s之后，因?yàn)槟M熱源的熱慣量作用，基板溫度繼續(xù)上升20 s后，各測點(diǎn)溫度下降。在不加熱管情況下，基板上的最高溫度為96.02 ℃，高于散熱器基板最高溫度85 ℃的要求，且各測點(diǎn)間溫差較大，高達(dá)25.7 ℃。加熱管后，基板上的最高溫度為70.27 ℃，滿足要求且各測點(diǎn)間溫差較小，平板微熱管散熱器基板均溫性明顯提升，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合。

因?yàn)镮GBT芯片封裝復(fù)雜，難以直接測量其結(jié)點(diǎn)溫度，所以利用式(1)推導(dǎo)最高結(jié)溫，即IGBT2的結(jié)點(diǎn)溫度為TJ=TS+(RJ-C+RC-S)P=70.27+(0.064+0.01)×540=110.23 ℃，滿足結(jié)溫<125 ℃的要求。

平板微熱管散熱器數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2所示，兩組數(shù)據(jù)基本吻合，最大誤差為7.07%。存在誤差的原因主要有：1)數(shù)值模擬在理想情況下進(jìn)行，為方便計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化；2)實(shí)驗(yàn)所用的熱源為模擬熱源，與實(shí)際IGBT模塊存在差異；3)在實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的采集可能存在誤差。

表2 平板微熱管散熱器模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of numerical simulation and experimental results of flat micro heat pipe radiator

5 結(jié)論

1)本文將平板微熱管應(yīng)用于地鐵變流器IGBT的散熱器上，在滿足散熱要求的前提下簡化了散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并用仿真與實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了其可行性。

2)IGBT模塊在極限功率工作條件下，平板微熱管散熱器可以控制IGBT模塊在自然冷卻情況下結(jié)溫為110.23 ℃，散熱器基板最高溫度為70.27 ℃，滿足IGBT模塊工作要求。相較于傳統(tǒng)翅片散熱器，平板微熱管散熱器改變了局部過熱現(xiàn)象使散熱器均溫性有很大提升，提高了翅片散熱效率。

3)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相同溫度監(jiān)控點(diǎn)最高溫度的誤差最大為7.07%，溫度云圖分布大致相同，從而驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，為后續(xù)平板微熱管散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。