基于水冷的IGBT模塊散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

林 鑫，應(yīng)保勝，聶金泉，劉 禎，張遠(yuǎn)進(jìn)

（1.武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，武漢 430081；2.湖北文理學(xué)院 純電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計與測試湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 襄陽 441053；3.湖北文理學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053）

當(dāng)前，全球各國大力推行節(jié)能減排的政策措施，極大推動了純電動汽車等新能源汽車的高速發(fā)展［1－2］。而電機(jī)控制器作為純電動汽車中最為重要的部件之一，直接影響車輛的穩(wěn)定性和安全性。

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是電機(jī)控制器中最為重要的器件，是決定電機(jī)控制器性能的關(guān)鍵［3－4］。近年來，隨著IGBT模塊的快速發(fā)展，其內(nèi)部空間中安裝的元器件逐漸增多，剩余可用空間減少，使得IGBT模塊產(chǎn)生的熱流密度快速增大［5－6］。若不將其中的熱能及時通過散熱器傳遞出去，熱能會在內(nèi)部狹小的空間中逐漸積累，一旦積累的熱能超過模塊的最大承受能力，就會導(dǎo)致IGBT模塊內(nèi)部器件被燒毀失效，進(jìn)而影響電機(jī)控制器及汽車本身的可靠性和安全性［7－8］。因此，對IGBT模塊的散熱性能進(jìn)行詳細(xì)研究具有重要意義。

目前，在實(shí)際工程應(yīng)用中，運(yùn)用于電機(jī)控制器的散熱方法主要分為風(fēng)冷和液冷兩種［9］。隨著IGBT模塊功率的逐漸增大，風(fēng)冷的散熱方式已不再適用于此類大功率IGBT模塊。此時，就需要散熱能力更好的液冷冷卻方法對IGBT模塊進(jìn)行散熱處理。沈麗萍等［10］對設(shè)計的3種風(fēng)冷散熱翅片和4種緊湊式方案進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明半圓形散熱翅片的散熱效果最好；方案1在滿足IGBT模塊散熱要求基礎(chǔ)上節(jié)省的空間和成本最多。賴晨光等［11］詳細(xì)研究了水道中擾流塊的高度和形狀對IGBT模塊結(jié)溫的影響，結(jié)果表明在冷卻水道中加入高度為0.7 mm且形狀為菱形的擾流塊時，IGBT模塊的散熱性能可達(dá)到最優(yōu)。Wang Y等［12］研究了純電動汽車中IGBT模塊中的集成液體對模塊溫度的影響，結(jié)果表明通過集成液體直接冷卻可消除導(dǎo)熱油脂層，IGBT到散熱器之間的熱阻下降了50%以上，降低了模塊的結(jié)溫。綜上發(fā)現(xiàn)，目前大多研究僅在風(fēng)冷散熱器的結(jié)構(gòu)特征、擾流塊以及冷卻液的流動特性等方面進(jìn)行研究，在水冷的針柱散熱器的結(jié)構(gòu)特征方面研究較少。針對這種情況，在常規(guī)散熱針柱的基礎(chǔ)上設(shè)計了圓環(huán)形和螺旋形散熱針柱。分別對3種散熱針柱的IGBT模塊進(jìn)行理論計算和數(shù)值模擬，通過對比分析，得到散熱能力最好的螺旋形散熱針柱，并進(jìn)一步對螺旋形散熱針柱進(jìn)行優(yōu)化處理。

1 幾何模型建立

通過三維建模軟件UG對IGBT模型進(jìn)行簡化處理，圖1為IGBT模型簡化后的物理模型。IGBT模塊主要由芯片、基板、散熱器以及水槽組成，芯片共24個，尺寸為9 mm×9 mm×0.3 mm；基板共1個，尺寸為214 mm×78 mm×3 mm；水槽共1個，尺寸為190 mm×64 mm×12 mm，進(jìn)口與出口的直徑為10 mm。為增大散熱針柱與冷卻液之間的接觸面積，設(shè)計了圓環(huán)形和螺旋形散熱針柱。圖2（a）為常規(guī)形散熱針柱，針柱高8 mm，直徑2 mm，與另外2種散熱針柱的高和直徑相同。圖2（b）為圓環(huán)形散熱針柱，針柱上的環(huán)形槽深0.2 mm，槽高0.25 mm。圖2（c）為螺旋形散熱針柱，散熱針柱上的螺紋大徑為2 mm，小徑為1.8 mm，長為6 mm，螺距為0.5 mm，角度為60°。

圖1 IGBT物理模型示意圖

圖2 3種散熱針柱結(jié)構(gòu)示意圖

2 IGBT結(jié)溫計算

在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于續(xù)流二極管只產(chǎn)生很少的熱量，故計算時不考慮續(xù)流二極管的影響，只將IGBT作為唯一熱源分析，模塊中每個IGBT熱源的發(fā)熱功率均為100 W。當(dāng)IGBT模塊工作時，IGBT熱源產(chǎn)生的熱能在向外界環(huán)境傳遞的過程中，總熱阻主要由3個部分組成：①IGBT熱源產(chǎn)生的熱能傳遞到散熱器時產(chǎn)生的接觸熱阻Rjd；②熱能在散熱器中所受的固體傳熱熱阻Rjv；③散熱器與冷卻液直接接觸時產(chǎn)生的對流換熱熱阻］。

總熱阻為：

式中：c為IGBT熱源與散熱器之間的厚度；K為導(dǎo)熱率，取值為390 W·（m·k）－1；S為熱量在垂直方向傳遞的橫截面積。

式中：d為散熱器的高度；Kc為散熱器的導(dǎo)熱率，取值為193 W·（m·k）－1；D為散熱針柱的橫截面面積；n為散熱針柱的個數(shù)。

式中：Av表示總的有效對流換熱面積；hv表示冷卻液的對流換熱系數(shù)。

其中：

式中：k為水的導(dǎo)熱率；L為特征長度；Nu為努塞爾數(shù)。

仿真部分流體狀態(tài)選擇湍流模型，故此處選擇迪圖斯－貝爾特（Dittus-Boelter）公式對努塞爾數(shù)進(jìn)行計算。

式中：Re表示雷諾數(shù)；Rr表示普朗特數(shù)；當(dāng)水槽中冷卻液的溫度比壁面的溫度低時，n＝0.4；反之，n＝0.3。這里取n＝0.4。

式中：ˉv表示冷卻液的平均流速；γ表示冷卻液的運(yùn)動黏度。

選用的冷卻液為水，入口溫度為50℃，查得水在定性溫度Tf為50℃時的物性參數(shù)，水的導(dǎo)熱率為0.648 W·（m·k）－1，運(yùn)動黏度為0.553×10－6m2／s，普朗特數(shù)為3.54。

根據(jù)IGBT模塊結(jié)溫的計算方法，將IGBT模塊的整個散熱過程簡化等效為計算網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

圖3 熱阻模型等效網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖3中，PT為IGBT模塊在額定條件下總的發(fā)熱功率；Td為基板的平均溫度；Tv表示散熱器的平均溫度；Ta表示冷卻液的溫度（50℃）。故：

3種散熱針柱的IGBT模塊在整個散熱過程中的熱阻及其結(jié)溫分別如表1所示。

表1 3種散熱針柱下IGBT模塊的熱阻與結(jié)溫

3 數(shù)值模擬

3.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格模型選用適用于湍流流體模擬的多面體網(wǎng)格生成器。因3種IGBT模型結(jié)構(gòu)只在散熱針柱上有差異，故3種IGBT模型網(wǎng)格劃分設(shè)置相同。模型整體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10 mm，邊界處棱柱層設(shè)置為3層。為提高網(wǎng)格質(zhì)量，分別對24個IGBT芯片和散熱針柱進(jìn)行局部加密。芯片的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.7 mm，散熱針柱的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.4 mm。劃分的網(wǎng)格數(shù)量均約為129萬個，最終的局部網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 3種IGBT模型的局部網(wǎng)格示意圖（放大）

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

IGBT模塊的冷卻方式為液冷散熱，故需對冷卻液的物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。選擇的冷卻液為水，進(jìn)口溫度為50℃，水的導(dǎo)熱率為0.648 W·（m·k）－1，密度為988.1 kg·m－3，比熱為4.174 J·（kg·k）－1。進(jìn)口流量設(shè)置為10 L／min，出口設(shè)置為壓力出口，每個IGBT的發(fā)熱功率設(shè)置為100 W。IGBT芯片材料為硅，基板材料為銅，散熱器材料為鋁合金，各部位的具體材料屬性參數(shù)如表2所示。

表2 材料屬性參數(shù)

3.3 仿真結(jié)果分析

通過STAR－CCM＋軟件的后處理功能，分別得到3種散熱針柱的IGBT模塊的溫度場、壓力場以及速度場云圖，如圖5～7所示。

圖5 3種散熱針柱下IGBT模塊的溫度分布云圖

由圖5可知：3種IGBT模塊的溫度分布均為從右到左逐漸增加，靠近進(jìn)水口處的IGBT熱源溫度要遠(yuǎn)低于出水口處的IGBT熱源。圖5（a）所示的常規(guī)形散熱針柱的IGBT模塊的最高溫度為106.7℃，圓環(huán)形和螺旋形散熱針柱的IGBT模塊與其相比，最高溫度分別降低了5.9、7.3℃?？梢钥闯觯O(shè)計的圓環(huán)形散熱針柱和螺旋形散熱針柱的散熱效果要優(yōu)于常規(guī)形散熱針柱。

圖6給出了水流的壓力分布云圖，從中可以看出：在入口流量相同的情況下，3種散熱針柱下的水流壓力分布較為均勻。最大壓力均出現(xiàn)在水流進(jìn)口處，最小壓力在出口處，進(jìn)出口水流壓降分別為8 352.1、8 928.5、9 020.1 Pa，后2種散熱針柱的壓降比常規(guī)形散熱針柱壓降分別增加了576.4、668.0 Pa。從整體上看，3者壓降相差不大。從圖7的3種散熱針柱下水流速度分布可以直觀地看出水流流速基本沒有變化，3種模型的平均水流速度均約為0.5 m／s。但從圖7（a）中看出：常規(guī)形散熱針柱的水流速度分布較為稀疏，表明水流在散熱針柱之間的流動性較差，在中部的散熱針柱處表現(xiàn)更為明顯。而后2種散熱針柱下的水流流動性明顯增強(qiáng)，散熱能力更強(qiáng)。從圖7（b）中可以看出：在接近進(jìn)水口處，水流出現(xiàn)較小的回流現(xiàn)象，但對IGBT模塊結(jié)溫影響較??；若增大進(jìn)口流量，可能會使IGBT模塊此處的溫度升高，影響模塊正常工作。而圖7（c）的螺旋形散熱針柱結(jié)構(gòu)消除了進(jìn)水口處的回流現(xiàn)象，使IGBT模塊的散熱能力得到了加強(qiáng)。

圖6 3種散熱針柱下水流壓力分布云圖

圖7 3種散熱針柱下水流速度分布云圖

通過上述分析可以看出：在同等條件下，所設(shè)計的圓環(huán)形和螺旋形散熱針柱的散熱效果要好于常規(guī)形散熱針柱。且3種散熱結(jié)構(gòu)的IGBT模塊的理論計算結(jié)果和仿真計算結(jié)果接近，常規(guī)形、圓環(huán)形及螺旋形散熱針柱下的IGBT模塊理論結(jié)溫分別為101.4、97.3、96.1℃，仿真模擬的IGBT模塊結(jié)溫分別為106.7、100.8、99.4℃，3種IGBT模塊的結(jié)溫誤差均小于5%。出現(xiàn)誤差的原因主要有3點(diǎn)：①仿真過程中，因?yàn)槭菍喕Ｐ瓦M(jìn)行仿真，故與實(shí)際模型之間會存在一定誤差；②仿真中的冷卻水道為完全光滑，而實(shí)際水道有一定的粗糙度，冷卻液流速和方向會有一定誤差；③仿真時忽略了熱輻射對散熱結(jié)果的影響。接下來將針對散熱效果最好的螺旋形散熱針柱做進(jìn)一步優(yōu)化處理，使其達(dá)到最優(yōu)散熱性能。

4 不同條件下螺旋形針柱的仿真結(jié)果

4.1 針柱高度對散熱的影響

保持散熱針柱數(shù)量、直徑及進(jìn)口流量不變，對不同高度的散熱針柱進(jìn)行仿真分析。IGBT模塊的結(jié)溫變化如圖8所示。

圖8 不同針柱高度的溫度仿真結(jié)果

由圖8可知：隨著散熱針柱高度的增加，IGBT模塊的結(jié)溫整體呈現(xiàn)平緩下降的趨勢。隨著散熱針柱高度的持續(xù)增加，雖然IGBT模塊結(jié)溫仍在下降，但下降幅度開始變小，故散熱針柱的高度不宜過大，過大會增加散熱器的成本。而圖8中曲線各段斜率分別為8.9、5.2、3.9、3.1、2.4、1.3，可以看出曲線斜率在針柱高度為11 mm時有較大變化，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。考慮到成本、加工工藝等因素，散熱針柱高度取11 mm為宜。

4.2 針柱直徑對散熱的影響

取針柱高度為11 mm，控制散熱針柱數(shù)量和進(jìn)口流量相同，分別對不同直徑的散熱針柱進(jìn)行仿真分析，得到IGBT模塊的結(jié)溫變化如圖9所示。

圖9 不同針柱直徑的仿真結(jié)果

由圖9可知：散熱針柱直徑對IGBT模塊的結(jié)溫有較大影響。在同等情況下，隨著散熱針柱直徑的增大，針柱的有效散熱面積增大，散熱器的散熱性能得到顯著提高。但隨著散熱針柱直徑的持續(xù)增大，散熱器的散熱效果開始減弱，從圖9可知：曲線各段斜率分別21.6、17.2、6.2、3.6，曲線斜率在針柱直徑為2.5 mm時發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折變化。之后IGBT模塊的結(jié)溫下降幅度明顯變小，散熱針柱直徑對IGBT模塊的散熱影響程度降低，故針柱直徑選取為2.5 mm。

4.3 進(jìn)口流量對散熱的影響

選取針柱高度為11 mm，針柱直徑為2.5 mm，在散熱針柱數(shù)量相同的條件下，再分析進(jìn)口流量對IGBT模塊散熱的影響，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同進(jìn)口流量的仿真結(jié)果

通過圖10的仿真結(jié)果可知：進(jìn)口處水流流量越大，由于IGBT模塊的結(jié)溫是逐漸下降的，故下降幅度逐漸變小。模塊結(jié)溫在水流流量為12 L／min時開始平緩下降，水流流量對模塊結(jié)溫的影響減小。因此，過大的進(jìn)口水流流量并不會提高IGBT模塊的散熱效率，相反，過大的水流流量會增大水槽中的水流壓降，使得散熱器的散熱效率開始降低。從圖10可知：曲線各段斜率分別為4.4、3.7、2.6、2.2、1.2、0.91、0.34，曲線斜率在流量為12 L／min前后產(chǎn)生較大變化，故在滿足散熱器散熱要求下，進(jìn)口處水流流量在12 L／min時螺旋形散熱針柱的散熱效果較好。

4.4 最終優(yōu)化方案

通過以上仿真優(yōu)化處理，最終的優(yōu)化方案如表3所示。在最終優(yōu)化散熱方案下，IGBT模塊的結(jié)溫為96.8℃，比優(yōu)化前的IGBT模塊的結(jié)溫降低了2.6℃。優(yōu)化后的IGBT模塊的結(jié)溫相比IGBT模塊的最大結(jié)溫低125℃，滿足IGBT模塊的工作要求。

表3 最佳優(yōu)化方案

5 結(jié)論

1）3種散熱針柱的IGBT模塊結(jié)溫的理論計算結(jié)果和仿真計算結(jié)果基本一致，誤差均小于5%。通過對比3種散熱針柱的IGBT模塊發(fā)現(xiàn)，圓環(huán)形和螺旋形散熱針柱的散熱效果要優(yōu)于常規(guī)形散熱針柱，而螺旋形散熱針柱的散熱效果最好。

2）散熱針柱高度和直徑對散熱器的散熱性能影響較大，針柱高度和直徑的增大加大了水流與散熱針柱之間的接觸面積。同等條件下，兩者之間的換熱效果得到了增強(qiáng)，提高了IGBT模塊的散熱能力。但隨著其過度增大，散熱器的散熱效果開始降低。

3）水流流量是影響水冷散熱器散熱性能的一個重要因素。當(dāng)進(jìn)口水流流量剛開始增大時，水流在水槽中受到的阻力較小，壓降也較??；隨著進(jìn)口水流流量的繼續(xù)增大，水流在水槽中受到的阻力開始增大，壓降也隨之增大，散熱器的散熱效率開始下降。此結(jié)論對針柱式水冷散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化有較大的參考價值。