基于STAR-CCM+的IGBT散熱翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

劉 禎，林 鑫，吳華偉，葉從進(jìn)，耿向陽(yáng)

(1. 湖北文理學(xué)院 純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 襄陽(yáng) 441053; 2.武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081; 3. 湖北文理學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053; 4.東風(fēng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441000)

0 引 言

隨著石油資源的逐漸減少，大力發(fā)展新能源汽車已在世界各國(guó)成為一種必然趨勢(shì)[1-2]。新能源汽車相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車有著清潔、環(huán)保及穩(wěn)定等諸多好處，為了使新能源汽車能夠在道路上安全平穩(wěn)的行駛，車輛中的電機(jī)控制器的穩(wěn)定性和安全性是眾多影響因素中非常重要的一點(diǎn)[3-4]。

電機(jī)控制器在其狹窄的內(nèi)部空間中集成有眾多的元器件，而其中的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為電機(jī)控制器中的十分重要的一種元器件，在電機(jī)控制器的工作過程中將會(huì)把產(chǎn)生的大量熱量釋放到IGBT模塊狹小的空間內(nèi)，若不把IGBT模塊所產(chǎn)生的大量熱能及時(shí)的傳導(dǎo)出去，就很有可能會(huì)燒毀IGBT模塊內(nèi)部的其他元器件，從而在很大程度上，會(huì)使IGBT模塊的使用壽命降低[5-6]。這就大大的降低電機(jī)控制器的可靠性，從而影響到整車的安全性和穩(wěn)定性[7-8]，故將IGBT模塊產(chǎn)生的熱量有效及時(shí)的傳遞出去就顯得非常重要。

目前，風(fēng)冷和液冷是對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行散熱處理中最為常見的兩種冷卻方式[9]。但是目前的IGBT模塊正逐步向著大功率方向開始發(fā)展，自然風(fēng)冷的冷卻方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到IGBT模塊的散熱要求，故在實(shí)際工程中，強(qiáng)制風(fēng)冷和液冷被廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制器的散熱。綜述文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者只在IGBT模塊的散熱模式上做了重點(diǎn)研究。如郭憲民等[10]對(duì)冷板的氣體流動(dòng)散熱進(jìn)行了詳細(xì)研究，結(jié)果表明通過冷板通道內(nèi)的氣體可以將模塊產(chǎn)生的大部分熱量帶走，極大的提高了模塊可靠性；邱海平等[11]通過研究泡沫鋁翅片傳熱，發(fā)現(xiàn)氣體在泡沫鋁內(nèi)部易產(chǎn)生漩渦，從而增強(qiáng)翅片的傳熱；孫微等[12]利用冷卻液直接與模塊的散熱翅片接觸，通過實(shí)驗(yàn)表明通過這種方式，模塊的熱阻得到了極大的降低。上述在散熱器翅片的形狀特征上所做的研究較少，故筆者針對(duì)強(qiáng)制風(fēng)冷的冷卻方式，設(shè)計(jì)出了兩種不同散熱翅片結(jié)構(gòu)的散熱器。分別對(duì)不同散熱器下的IGBT模塊進(jìn)行理論和仿真計(jì)算，并與常規(guī)散熱器的散熱效果做出對(duì)比，分別得到了每種散熱器下IGBT模塊的散熱特性，分析了翅片幾何特征對(duì)IGBT模塊散熱的影響規(guī)律。

1 幾何模型建立與簡(jiǎn)化

通過三維軟件UG建立了文中所需要的IGBT模塊簡(jiǎn)化模型，如圖1，該模型主要包括2個(gè)風(fēng)扇、1個(gè)銅基板、8個(gè)主芯片以及1個(gè)鋁合金散熱器。其主要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)為：基板長(zhǎng)214 mm，寬98 mm，高4 mm；主芯片長(zhǎng)8 mm，寬8 mm，高0.32 mm。其中為了簡(jiǎn)化模型，在仿真計(jì)算時(shí)，直接散熱器的側(cè)部的空氣進(jìn)口邊界設(shè)為速度入口來(lái)模擬風(fēng)扇效果。散熱表面積作為影響IGBT模塊散熱一個(gè)重要因素，在相同條件下，散熱器的散熱表面積越大，其散熱效果越好，故筆者在常規(guī)形散熱翅片的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了等腰三角形和等腰梯形散熱翅片。圖2 (a)為常規(guī)形散熱翅片圖，后面兩種散熱翅片的長(zhǎng)寬高參數(shù)與常規(guī)形散熱翅片相同。翅片長(zhǎng)214 mm，寬2 mm，高30 mm。圖2 (b)為等腰三角形散熱翅片圖，其中翅片上的三角形凹槽底邊為3 mm，高為1 mm。圖2 (c)為等腰梯形散熱翅片，其中翅片上的梯形凹槽上底為1 mm，下底為3 mm，高為1 mm。

圖1 IGBT模塊簡(jiǎn)化模型

圖2 3種散熱翅片結(jié)構(gòu)

2 理論計(jì)算分析

故文中簡(jiǎn)化后的IGBT模塊在工作過程的總熱阻為：

R=Rjc+Rch+Rha

(1)

其中：

(2)

式中：a為IGBT芯片到散熱器的距離；K為其導(dǎo)熱系數(shù)，取390 W/(m·k)；A為IGBT芯片與散熱器之間的橫截面面積。

(3)

式中：h為散熱器的高度；Kl為散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)，為193 W/(m·k)；S為散熱器翅片的長(zhǎng)度；d為散熱器翅片的厚度；n為散熱器翅片的數(shù)量。

(4)

式中：b為基板的厚度；Ab為散熱器的有效散熱面積；Ps為IGBT模塊總的發(fā)熱功率；C1為散熱器的安裝狀態(tài)系數(shù)，因?yàn)槲闹械纳崞鞯陌惭b方式為垂直安置，故取C1=0.5；C2為在強(qiáng)制風(fēng)冷的情況下，散熱器的相對(duì)熱阻系數(shù)，風(fēng)速大小為8 m/s，故取C2=0.3；C3為IGBT模塊外部空氣的換熱系數(shù)，IGBT模塊所處的空氣流場(chǎng)主要是層流，故取C3=0.15。

在進(jìn)行IGBT結(jié)溫Tj理論計(jì)算之前,可以將IGBT模塊的整個(gè)散熱系統(tǒng)簡(jiǎn)化并等效為計(jì)算網(wǎng)絡(luò),如圖3。

圖3 散熱系統(tǒng)等效網(wǎng)絡(luò)

圖3中：Tc為基板的溫度；Th為散熱器的平均溫度；Ta為IGBT模塊整個(gè)散熱系統(tǒng)所處的外部環(huán)境溫度(26.85 ℃)。故有：

Tj=Tc+Ps·Rjc+10=Th+Ps·(Rjc+Rch)+10=Ta+Ps·(Rjc+Rch+Rha)+10

(5)

則額定工況下3種散熱翅片的IGBT的熱阻與結(jié)溫分別如表1。

表1 3種散熱翅片的IGBT的熱阻與結(jié)溫

從表1中可以看出設(shè)計(jì)的三角形和梯形散熱翅片理論結(jié)溫值均小于常規(guī)形，說(shuō)明設(shè)計(jì)合理，接下來(lái)將進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3 數(shù)值模擬

3.1 參數(shù)設(shè)置

為使計(jì)算的結(jié)果更為精確，筆者選用多面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。IGBT模塊的外流場(chǎng)、基板以及散熱器的網(wǎng)格尺寸設(shè)為1 mm，邊界層數(shù)設(shè)為3層。為保證網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)主芯片進(jìn)行局部加密，主芯片的網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.01 mm，邊界層數(shù)設(shè)為5層。因筆者所選用的散熱方式為強(qiáng)制風(fēng)冷，故需要對(duì)空氣的基本屬性進(jìn)行設(shè)置，空氣密度為1.184 15 kg/m3，導(dǎo)熱率為0.026 03 W/(m·k)，比熱為1 003.62 J/(kg·k)。散熱器材料選用鋁合金，其型號(hào)為常見的鋁合金60系列中的6063T4鋁合金，基板材料選用為銅，主芯片材料為硅，各部件在常溫條件下的材料屬性詳見表2。單個(gè)IGBT功率設(shè)為50 W，IGBT模塊所處的外部環(huán)境溫度為26.85 ℃，空氣進(jìn)口邊界設(shè)為速度入口，速度為8 m/s，空氣出口邊界設(shè)為壓力出口。

表2 材料屬性

3.2 仿真結(jié)果分析

利用STAR+CCM+軟件自帶的后處理器，分別求得三角形、梯形和常規(guī)形散熱翅片下的IGBT模塊溫度場(chǎng)和速度矢量場(chǎng)的分布情況，其溫度場(chǎng)和速度矢量場(chǎng)的具體分布情況見圖4。

從圖4可以看出，3種散熱結(jié)構(gòu)下的IGBT模塊的溫度都是明顯的沿著x軸負(fù)方向逐漸增大，最高溫度出現(xiàn)在出口端的IGBT上。常規(guī)形散熱翅片下的IGBT模塊溫度最高為104.6 ℃，三角形散熱翅片下的IGBT模塊溫度最高為94.9 ℃，梯形散熱翅片下的IGBT模塊溫度最高為94.6 ℃。三角形散熱翅片和梯形散熱翅片較常規(guī)形散熱翅片最高溫度分別降低了9.6、10.0 ℃，從中可以看出三角形散熱翅片和梯形散熱翅片的散熱能力明顯優(yōu)于常規(guī)形散熱翅片。

圖5 3種單個(gè)散熱翅片切面的溫度云圖

從圖5 不同散熱翅片切面的仿真結(jié)果中可以看出，3種散熱結(jié)構(gòu)下IGBT模塊的進(jìn)口端溫度都接近環(huán)境溫度，而其出口端溫度明顯高于進(jìn)口端。3種散熱翅片切面的最高溫度出現(xiàn)在靠近熱源 IGBT的地方，溫度沿著翅片向下逐漸減小，整個(gè)IGBT模塊的溫度梯度有著向后下方傾斜的趨勢(shì)。圖5(b)中的三角形散熱翅片最高溫度為89.5 ℃，比常規(guī)形散熱翅片溫度低9.3 ℃，說(shuō)明三角形散熱翅片的散熱能力更強(qiáng)。圖5(c)中的梯形散熱翅片最高溫度為88.4 ℃，比三角形散熱翅片的溫度略低，說(shuō)明梯形散熱翅片的散熱性能在三角形散熱翅片的基礎(chǔ)上有所提高。并且從圖中可以看出，梯形散熱翅片的溫度分布較前面兩種散熱翅片更為均勻，說(shuō)明散熱翅片與空氣的熱交換更充分。

從圖6可以看出，流經(jīng)3種散熱翅片下的IGBT模塊的氣流速度在逐漸減小，出口處的風(fēng)速要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)口處的風(fēng)速，而模塊的上端和下端因未受到阻礙，其速度要大于其他部位。從圖6(a)中可以看出，常規(guī)形散熱翅片的速度矢量分布較為稀疏，氣流速度損失嚴(yán)重，模塊后端的氣流速度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模塊前端。從圖7中也可以看出，流經(jīng)常規(guī)形散熱齒片的IGBT模塊后端的氣流速度下降到了2.25 m/s。而從圖6(b)和圖6(c)中可以看出，與常規(guī)形散熱翅片相比，設(shè)計(jì)的兩種散熱翅片下的IGBT模塊的速度矢量明顯更為密集，氣流流失問題得到很好的解決。從圖7中也可以看出，三角形和梯形散熱翅片的IGBT模塊后端速度分別為3.5 m/s和3.62 m/s，相比于常規(guī)形散熱翅片，速度分別提高了1.25 m/s和1.37 m/s。

圖6 3種散熱翅片下的速度分布

圖7 3種散熱翅片的IGBT模塊后端速度監(jiān)測(cè)

從以上結(jié)果可以看出，在相同條件下，三角形和梯形散熱翅片的散熱器的散熱性能優(yōu)于常規(guī)形散熱器。而IGBT模塊的仿真結(jié)果與理論估算結(jié)果基本吻合。常規(guī)形、三角形形及梯形散熱翅片下的IGBT理論結(jié)溫分別為110.5、100.1、99.6 ℃，仿真實(shí)驗(yàn)的IGBT結(jié)溫分別為104.6、94.9、94.6 ℃，其誤差均在5%左右，表明文中所設(shè)計(jì)的兩種散熱翅片方案是可行的。接下來(lái)將對(duì)散熱翅片進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使其能達(dá)到最佳散熱效果。

3.3 不同條件下的仿真結(jié)果

3.3.1 翅片高度的影響

控制翅片數(shù)量、間距及厚度不變，只改變翅片的高度。分析翅片高度對(duì)IGBT模塊溫度的影響。得到的仿真結(jié)果如圖8。

圖8 翅片高度與IGBT模塊結(jié)溫的關(guān)系曲線

從圖8中可以看出，隨著翅片高度的增加，IGBT模塊的結(jié)溫整體呈下降趨勢(shì)。翅片高度在34 mm時(shí)，模塊結(jié)溫下降開始變得平緩。之后，隨著翅片高度的增加，模塊結(jié)溫變化幅度減小?？紤]到材料成本等因素，翅片高度不宜取得過大。

3.3.2 翅片厚度的影響

翅片厚度作為影響IGBT模塊溫度的重要因素之一，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化處理是很有必要的。取翅片高度為34 mm，控制翅片數(shù)量和間距不變，分析翅片厚度對(duì)IGBT模塊溫度的影響。得到的仿真結(jié)果如圖9。

圖9 翅片厚度與IGBT模塊結(jié)溫的關(guān)系曲線

從圖9中可以看出，隨著翅片厚度的增加，IGBT模塊的散熱能力越好。從整體上看，曲線呈下降趨勢(shì)，IGBT模塊溫度隨翅片厚度增加而減小。當(dāng)翅片厚度為2.8 mm時(shí)，IGBT模塊結(jié)溫開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，曲線開始平緩下降。

3.3.3 翅片間距的影響

取翅片高度34 mm，翅片厚度2.8 mm，控制翅片數(shù)量不變，分析翅片間距對(duì)IGBT模塊溫度的影響。得到的仿真結(jié)果如圖10。

圖10 翅片間距與IGBT模塊結(jié)溫的關(guān)系曲線

從圖10中可以看出，隨著翅片間距的增加，常規(guī)形散熱翅片IGBT模塊的結(jié)溫整體呈線性下降趨勢(shì)，而三角形和梯形散熱翅片IGBT模塊的結(jié)溫剛開始呈緩慢下降趨勢(shì)，之后下降趨勢(shì)增大，最后下降趨勢(shì)變得平緩。在翅片間距為2.8 mm時(shí)，3種散熱翅片IGBT模塊的結(jié)溫均開始平緩降低。

從以上仿真結(jié)果可以看出，在單獨(dú)對(duì)翅片高度、翅片厚度、翅片間距3種影響因素進(jìn)行研究分析時(shí)，影響散熱效果的主要原因均是散熱器的散熱面積發(fā)生了變化。但3種影響因素對(duì)IGBT模塊的結(jié)溫的具體影響有所不同，隨著翅片高度與翅片厚度的逐漸增大，IGBT模塊的結(jié)溫呈逐漸下降到平緩趨勢(shì)。而隨著翅片間距的增大，IGBT模塊的結(jié)溫在剛開始階段有所變化，其結(jié)溫為平緩下降趨勢(shì)，之后的結(jié)溫變化與前面兩種因數(shù)下的結(jié)果相同。但3種影響下IGBT模塊的結(jié)溫整體均呈線性下降趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

通過三維繪圖軟件UG對(duì)3種IGBT模塊進(jìn)行了建模，對(duì)IGBT結(jié)溫進(jìn)行了理論計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并利用STAR-CCM+軟件對(duì)其在不同幾何結(jié)構(gòu)和風(fēng)速下進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了以下結(jié)論。

1)3種IGBT模塊的結(jié)溫仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果誤差均在5%左右，與常規(guī)形散熱翅片的IGBT模塊相比，三角形和梯形散熱翅片的IGBT模塊散熱性能均得到了提高，梯形散熱翅片的散熱性能要略優(yōu)于三角形散熱翅片。

2)在翅片高度和翅片厚度的增加開始階段，散熱面積對(duì)IGBT模塊溫度的影響較大，IGBT模塊結(jié)溫下降明顯。但隨著其繼續(xù)增加，散熱面積的影響開始減弱，IGBT模塊結(jié)溫下降趨勢(shì)變得平緩。

3)翅片間距在增加的開始階段，翅片間的氣流流通性增加幅值較小，IGBT模塊的散熱性能只有小幅度提升。當(dāng)翅片間距繼續(xù)增加時(shí)，氣流流通性增加，通過翅片間的氣流損失減小，IGBT模塊的散熱性能有很大程度的提升。而翅片間距再持續(xù)增長(zhǎng)下去時(shí)，氣流就會(huì)向四周擴(kuò)散，IGBT模塊的散熱性能就會(huì)開始降低。此結(jié)果對(duì)翅片式的散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了參考依據(jù)。