IGBT散熱器風(fēng)冷散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)估

陳俊杰 周雷 秋雨豪

摘? ?要： 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊功耗持續(xù)增加，對(duì)風(fēng)冷散熱提出了更高要求。以某大型冷水機(jī)組變頻器為研究對(duì)象，結(jié)合仿真模擬和試驗(yàn)測(cè)試，提出IGBT散熱器優(yōu)化方案：一是將散熱器翅片間距從3.0 mm減小到2.5 mm，增大換熱面積;二是給每個(gè)IGBT模塊增加2根熱管，突破肋效率帶來的瓶頸問題。優(yōu)化后進(jìn)行驗(yàn)證，IGBT的工作結(jié)溫從149.9℃降到127.2℃，達(dá)到了IGBT最高工作結(jié)溫控制在130℃以內(nèi)的設(shè)計(jì)要求;同時(shí)對(duì)熱管相容性和壽命進(jìn)行評(píng)估，表明熱管工作介質(zhì)不會(huì)對(duì)管殼材料造成腐蝕或者溶解，熱管壽命可達(dá)到21萬3 414 小時(shí)，能夠保證變頻器和IGBT模塊的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： IGBT散熱器;風(fēng)冷散熱;熱管;肋效率;工作結(jié)溫;相容性;可靠性

中圖分類號(hào)：TN305.94? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 06-045-05

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.008

引言

隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的體積越來越小，功耗和散熱成為瓶頸問題，使得電子元器件本身和使用電子元器件設(shè)備的熱流密度不斷增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子產(chǎn)品發(fā)生故障的主要原因就是冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良。因此，電子元器件的散熱設(shè)計(jì)直接決定使用該電子元器件的設(shè)備能否可靠工作、持久耐用。

以絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模塊為例，對(duì)其進(jìn)行的失效機(jī)理研究表明：其各層材料的熱膨脹系數(shù)在封裝時(shí)往往不一致。在長(zhǎng)時(shí)間高溫工作環(huán)境下，這種不一致性可能會(huì)導(dǎo)致鋁鍵合線脫落甚至斷裂、焊料層發(fā)生老化、柵極氧化層受到損壞等，甚至使得整個(gè)芯片失效。因此，散熱設(shè)計(jì)對(duì)于IGBT模塊來說也是尤為重要的。當(dāng)前通用電子設(shè)備散熱方式包括空氣自然對(duì)流、強(qiáng)迫空氣/液體冷卻、冷板/熱管散熱、相變冷卻等，是比較成熟的。在這幾種散熱方式中，空氣自然對(duì)流方式的散熱能力最差，僅適用于較小功率的電子元器件，越來越難以滿足目前電子元器件功率持續(xù)增加的需求[1]。目前最常用的散熱途徑是對(duì)散熱器的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化。

目前試驗(yàn)分析法和仿真分析法是研究IGBT模塊散熱問題的兩種主要方法。試驗(yàn)分析法一般在實(shí)驗(yàn)室或者實(shí)際運(yùn)行的機(jī)組上進(jìn)行測(cè)試，得到可信度高的溫升數(shù)據(jù)，但是無法直接測(cè)量芯片內(nèi)部及焊料等部位的溫度。仿真分析法一般通過電氣、熱力學(xué)等理論建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，其中熱力學(xué)仿真主要包括熱阻抗網(wǎng)絡(luò)、有限元、有限體積和模型降階等方法[2]。在IGBT模塊散熱設(shè)計(jì)工作中，通常根據(jù)需求采取試驗(yàn)分析法、仿真分析法中的一種，或者將二者相結(jié)合。

筆者在對(duì)某大型冷水機(jī)組變頻器進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，對(duì)IGBT散熱情況進(jìn)行了仿真模擬，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的風(fēng)冷散熱無法滿足IGBT的散熱要求;提出了增大換熱面積、增加熱管個(gè)數(shù)這兩個(gè)強(qiáng)化散熱的解決方案;經(jīng)過仿真模擬，開展可靠性評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了方案的可行性。

1? IGBT散熱問題描述

某大型冷水機(jī)組變頻器的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)如圖1所示。變頻器采用5個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行散熱，風(fēng)扇從下側(cè)吸風(fēng)，風(fēng)進(jìn)入風(fēng)道之后，先經(jīng)過嵌在風(fēng)道中的電容，再進(jìn)入IGBT散熱器進(jìn)行冷卻，最后從上側(cè)吹出。在變頻器設(shè)計(jì)開發(fā)階段，筆者對(duì)IGBT的可靠性進(jìn)行了評(píng)估。在環(huán)境溫度為40℃的條件下，對(duì)額定電流為950 A的標(biāo)準(zhǔn)變頻器在110%負(fù)載、600 V母線電壓、3 kHz載頻、90%風(fēng)量時(shí)IGBT各處的溫度進(jìn)行了仿真模擬，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，IGBT散熱器經(jīng)過風(fēng)冷散熱系統(tǒng)后，其各處溫度中最高溫度為126.9℃，據(jù)此可推算IGBT工作結(jié)溫已經(jīng)達(dá)到149.9℃，溫度太高，幾乎沒有余量（IGBT工作結(jié)溫最高允許值為150℃），無法滿足散熱設(shè)計(jì)要求。通常來說，IGBT的最高工作結(jié)溫最好控制在130℃以內(nèi)，以確保IGBT能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。

為了驗(yàn)證仿真模擬的結(jié)果，筆者還對(duì)變頻器的散熱進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在大電流檔位下，IGBT的散熱達(dá)不到要求。變頻器在滿載條件下，會(huì)出現(xiàn)過溫報(bào)警的問題。因此，需要對(duì)IGBT的散熱進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)初期，首選對(duì)風(fēng)冷散熱進(jìn)行了改善，而沒有考慮水冷散熱，這是因?yàn)樗淦鞅醚h(huán)系統(tǒng)較為復(fù)雜，而且需要二次風(fēng)冷卻系統(tǒng)，還易出現(xiàn)泄漏問題，未能很好權(quán)衡研發(fā)成本、系統(tǒng)可靠性和市場(chǎng)需求等因素[3]。

2? IGBT散熱改善方案設(shè)計(jì)

如同第1章所述，目前IGBT散熱器采用的風(fēng)冷卻系統(tǒng)還達(dá)不到散熱要求，故首先需要考慮加大散熱風(fēng)扇的風(fēng)量。此外，考慮到目前散熱風(fēng)扇的風(fēng)速已經(jīng)比較大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)速達(dá)到一定值后，散熱效果不會(huì)隨著風(fēng)速的增大而大幅改善，只會(huì)造成風(fēng)機(jī)功率變得更大，成本增加，得不償失。而且，該變頻器外形尺寸已經(jīng)固定，沒有足夠的空間放置更多或者更大的風(fēng)扇。因此，筆者擬從以下兩個(gè)方面來改進(jìn)IGBT的散熱效果。

2.1? 增大IGBT散熱器換熱面積

對(duì)于IGBT散熱而言，按照對(duì)流傳熱的牛頓冷卻公式，散熱器的總散熱能力可以寫為

其中，為散熱器的總散熱能力（W）;為散熱器的總傳熱系數(shù)[W/（m2·K）];為散熱器的有效散熱面積（m2）;為IGBT散熱器表面溫度與散熱翅片周圍冷卻空氣溫度的差值（K），即。

將式（1）變形為

其中，是當(dāng)有效散熱面積為單位面積時(shí)，散熱器的總熱阻（K/W）。按照傳熱學(xué)理論，是各個(gè)串聯(lián)傳熱環(huán)節(jié)中的熱阻之和。對(duì)IGBT散熱器而言，其熱阻主要由3部分組成。

其中，為IGBT內(nèi)部的結(jié)到管殼的熱阻;為管殼到散熱器內(nèi)表面的熱阻;為散熱器內(nèi)表面到環(huán)境的熱阻。在這3個(gè)熱阻中，是由IGBT的加工過程決定的，通常由IGBT生產(chǎn)廠家給定;要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)熱阻，通常可以忽略不計(jì);占熱阻的比重最大。所以，對(duì)IGBT工作結(jié)溫的影響分析主要聚焦于的改善上。的大小通常與散熱器材料的熱導(dǎo)率、散熱器的大小、散熱翅片的高度和厚度、散熱翅片的數(shù)量、散熱翅片的間距等因素有關(guān)。

通常來說，冷卻氣體橫向掠過帶翅片的散熱器時(shí)，其傳熱系數(shù)與工作環(huán)境的諸多因素相關(guān)聯(lián)，對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)式已由有關(guān)相似實(shí)驗(yàn)中得到[3]，即

其中，普朗特?cái)?shù);雷諾數(shù)。為冷卻氣體掠過散熱器翅片表面時(shí)的最大速度（m/s）;為冷卻氣體的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·K）];為冷卻氣體的定壓比熱容[J/（kg·K）];為冷卻氣體密度（kg/m3）;為冷卻氣體動(dòng)力粘度系數(shù)（kg/m·s）;是幾何參數(shù)，表示散熱器的特征尺寸（m）;為翅片間距（m）;為翅片厚度（m）。

在本例中，由于變頻器的外形尺寸已經(jīng)固定，散熱器的長(zhǎng)度和寬度無法更改，所以優(yōu)先考慮通過減小翅片間距、增加翅片數(shù)量的方式來增大IGBT散熱器的換熱面積。對(duì)普通散熱器而言，翅片的肋效率的表達(dá)式為

其中，肋參數(shù)為一個(gè)參數(shù)群。為散熱器基板上的翅片高度（m）;為散熱器與周圍冷卻氣流之間的傳熱系數(shù)[W/（m2·K）];為散熱器材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·K）]。

散熱器的有效散熱面積為

其中，為散熱器總的散熱面積（m2）。

肋效率與肋參數(shù)的依變關(guān)系曲線如圖3所示，其是根據(jù)式（5）得到的。通過圖3的曲線可以看出，單純靠增加翅片密度來獲取更多的散熱面積的做法是不可取的。增加了散熱面積，就增加了散熱器和周圍冷卻空氣之間的散熱系數(shù)，導(dǎo)致肋效率 降低，隨之帶來的是對(duì)散熱面積的抵消，最終導(dǎo)致有效散熱面積減小[4]。所以，翅片間距存有一個(gè)最佳設(shè)計(jì)值。根據(jù)計(jì)算得到的最佳翅片間距是2.5 mm。

因此，在其他條件不變的情況下將散熱器的翅片間距從3.0 mm減小到2.5 mm，然后再對(duì)IGBT的散熱進(jìn)行熱仿真模擬，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，IGBT散熱器各處溫度中最高溫度為115.6℃，折算成IGBT工作結(jié)溫為138.6℃。這一結(jié)溫值雖然較之前有所降低，但是仍然無法滿足散熱設(shè)計(jì)要求。

從上面的分析可知，雖然通過縮小翅片間距可以增加實(shí)際翅片面積，但是有效散熱面積會(huì)隨著肋效率的降低而減小，因此這種翅片類型的散熱器存在某一個(gè)散熱極限。故而，如果IGBT發(fā)熱量較大，單憑增加換熱面積是無法滿足散熱需求的。

2.2? 在IGBT散熱器上增加熱管

為了進(jìn)一步強(qiáng)化IGBT散熱器的散熱量，筆者采用熱管對(duì)IGBT散熱器進(jìn)行散熱。熱管是眾所周知的最有效的高效傳熱元件之一，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。熱管是依靠封閉在管殼內(nèi)部的介質(zhì)相變來實(shí)現(xiàn)傳熱的。熱管兩端分別是加熱端和冷卻端，加熱端受熱后介質(zhì)會(huì)吸收熱量，迅速汽化，在熱管兩端壓強(qiáng)差的作用下，蒸汽會(huì)流向冷卻端，并在冷卻端釋放出汽化時(shí)吸收的熱量。冷凝后的介質(zhì)在毛細(xì)作用力下從冷卻端回到加熱端，并再次吸熱汽化，如此循環(huán)，不斷地把熱量從加熱端帶向冷卻端，直到熱管兩端溫度達(dá)到平衡一致[5]。在這樣快速進(jìn)行的循環(huán)下，可以持續(xù)不斷地把熱量傳導(dǎo)出去。采用熱管技術(shù)對(duì)IGBT進(jìn)行散熱，IGBT內(nèi)部產(chǎn)生的熱量絕大多數(shù)通過IGBT基板傳給熱管，再通過熱管把熱量傳給散熱翅片，使得散熱器上所有翅片的熱流密度都不會(huì)有很大的差異。肋的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以顯著提高肋效率，增大有效散熱面積，并且能夠靈活布置，通過熱管把熱量帶到更加適合散熱的地方，使得散熱器能夠勝任高熱流密度電子元器件在復(fù)雜惡劣工作環(huán)境下的散熱[6]。

增加熱管之后，式（2）中的熱阻發(fā)生了變化。IGBT散熱器在散熱過程中，熱量首先由IGBT傳遞到熱管加熱端內(nèi)，然后在熱管內(nèi)加熱、冷卻，再傳遞到散熱翅片的基板上，最后由冷卻氣流帶走。在這個(gè)傳遞過程中，總熱阻R的表達(dá)式為

其中，為從管殼傳遞到熱管加熱端內(nèi)壁的導(dǎo)熱熱阻，，其中為熱管加熱端的壁厚（m），為熱管材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·K）]，為熱管加熱端的內(nèi)壁表面面積（m2）;為加熱端內(nèi)的傳熱熱阻，，其中為加熱端內(nèi)壁與工質(zhì)之間的傳熱系數(shù)[W/（m2·K）];為熱管內(nèi)飽和蒸汽的傳熱熱阻（K/W），對(duì)于等溫傳熱而言，很小，可以忽略不計(jì);為冷卻端蒸汽與內(nèi)壁之間的熱阻（K/W），，其中為熱管冷卻端的內(nèi)壁表面面積（m2）， 為冷卻端內(nèi)壁與工質(zhì)的傳熱系數(shù)[W/（m2·K）];為冷卻端內(nèi)壁到散熱片基板之間的導(dǎo)熱熱阻（K/W），，其中為熱管冷卻端的壁厚（m），為熱管冷卻端材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·K）]，為熱管冷卻端的中徑面積（m2）;為從散熱翅片到冷卻氣流之間的傳熱熱阻（K/W），。

根據(jù)變頻器的實(shí)際使用條件，在每個(gè)IGBT模塊下增加2根熱管時(shí)，仿真模擬結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，IGBT散熱器各處溫度中最高溫度104.2℃，據(jù)此可推算IGBT工作結(jié)溫為127.2℃，滿足結(jié)溫低于130℃的設(shè)計(jì)要求。此外，在最惡劣工況條件下對(duì)變頻器的IGBT開展了實(shí)際的溫升測(cè)試，表明IGBT工作結(jié)溫確鑿在130℃以下，能夠保證變頻器長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行。

3? 熱管相容性及壽命預(yù)測(cè)

熱管相容性是衡量在預(yù)期的設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)，管內(nèi)的工作介質(zhì)不會(huì)與殼體材料發(fā)生明顯的物理反應(yīng)或化學(xué)變化，或雖然有點(diǎn)變化但不影響熱管的工作性能的指標(biāo)。長(zhǎng)期相容性良好的熱管，不僅能夠保證穩(wěn)定的傳熱性能，還能延長(zhǎng)自身的工作壽命。本文采用的燒結(jié)式熱管內(nèi)部采用的工作介質(zhì)是去離子水，不會(huì)產(chǎn)生不凝性氣體。去離子水在150℃下不會(huì)發(fā)生分解，而且去離子水在150℃下并不會(huì)與銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以不會(huì)對(duì)管殼材料造成腐蝕或者溶解[7]。所以，本文使用燒結(jié)式熱管屬于相容性比較好的應(yīng)用場(chǎng)景。

從業(yè)界對(duì)熱管的研究來看，目前熱管的壽命只與工作溫度相關(guān)，熱管的加速壽命試驗(yàn)條件是以180℃、96 h作為基準(zhǔn)的，遵循工作溫度每降低10℃，熱管的壽命延長(zhǎng)1倍的準(zhǔn)則。假設(shè)變頻器運(yùn)行典型工況如表1所示，在最高環(huán)境溫度40℃下，負(fù)載率為110%的工況占所有工作時(shí)間的1%，負(fù)載率為100%的工況占所有工作時(shí)間的10%，負(fù)載率為80%的工況占所有工作時(shí)間的40%，負(fù)載率為60%的工況占所有工作時(shí)間的40%，負(fù)載率為10%的工況占所有工作時(shí)間的9%。通過計(jì)算，把所有不同工況下實(shí)際壽命相加，即得到熱管的壽命約等于213 414 h。以水冷機(jī)組年平均運(yùn)行6 000 h的工作時(shí)間預(yù)估，該熱管的使用壽命長(zhǎng)達(dá)35.5年，完全滿足機(jī)組的壽命設(shè)計(jì)要求。

4? ?結(jié)束語

本文結(jié)合仿真模擬和試驗(yàn)測(cè)試，聚焦于標(biāo)準(zhǔn)散熱器不能滿足IGBT散熱要求的問題，通過散熱器結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化，以及在散熱器上增加熱管的方案，使IGBT工作結(jié)溫有效控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，通過了變頻器的溫升測(cè)試。同時(shí)，本文還對(duì)散熱器中使用的熱管壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)，表明變頻器能夠長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。該研究成果對(duì)IGBT散熱器設(shè)計(jì)，以及熱管在散熱器中的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

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作者簡(jiǎn)介：

陳俊杰（1986—），通信作者，男，漢族，碩士，工程師。研究方向：空調(diào)產(chǎn)品可靠性。

E-mail： junjie.chen@tranetechnologies.com

周雷（1978—），男，漢族，本科，工程師。研究方向：空調(diào)產(chǎn)品可靠性。

秋雨豪（1976—），男，漢族，博士，工程師。研究方向：空調(diào)產(chǎn)品可靠性。

（收稿日期：2020-10-14）