大功率壓接式功率器件用水冷基板研究

任智達(dá)　王碩　戴立國(guó)　廖蘊(yùn)博

摘要：針對(duì)大功率壓接式功率器件的散熱需求，進(jìn)行用于其冷卻的水冷基板設(shè)計(jì)與研究。根據(jù)壓接式功率器件用水冷基板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，設(shè)計(jì)內(nèi)部冷卻流道為螺旋線結(jié)構(gòu)，使用UG軟件建立三維模型，應(yīng)用仿真軟件計(jì)算得出其溫度場(chǎng)分布云圖和壓力分布云圖，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱性能試驗(yàn)和壓接試驗(yàn)。結(jié)果顯示，表面研制的水冷基板仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相近，熱阻和流阻參數(shù)指標(biāo)滿足技術(shù)條件要求，功率模塊區(qū)域均溫性良好，且產(chǎn)品可靠性滿足設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)用要求。該研究?jī)?nèi)容為類似結(jié)構(gòu)水冷基板設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：壓接式功率器件;水冷基板;仿真分析;試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TN322.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009—9492（2021）103—0235—03

0引言

目前，隨著電力系統(tǒng)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多采用大功率電力電子器件的設(shè)備，其中大功率壓接式功率器件得到廣泛應(yīng)用，其具有功率密度大、寄生電感低、雙面散熱、失效短路等優(yōu)點(diǎn)，是用于智能電網(wǎng)、軌道交通等高壓大功率電壓源換流裝備的理想器件。因此，專家學(xué)者對(duì)大功率壓接式功率器件進(jìn)行了大量研究。李輝等對(duì)比分析全壓接和銀燒結(jié)封裝形式對(duì)壓接型功率器件的電一熱應(yīng)力的影響，并探究了不同封裝形式的功率器件電一熱應(yīng)力存在差異的原因。竇澤春等、肖紅秀等對(duì)壓接式IGBT模塊熱學(xué)特性進(jìn)行研究，分析了模塊結(jié)構(gòu)對(duì)熱阻的影響，并針對(duì)電極銅塊面積、電極銅塊厚度及鉬片厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)提出了優(yōu)化方案。鄧二平等基于壓接型功率器件的有限元計(jì)算模型和特殊的應(yīng)用工況，研究器件內(nèi)部各組件加工誤差與內(nèi)部的布局方式對(duì)器件內(nèi)部壓力分布的影響。

但現(xiàn)有研究主要集中在壓接式功率器件本身，對(duì)用于其冷卻的水冷基板鮮有研究。功率器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，散熱問(wèn)題直接影響其使用壽命，通過(guò)水冷散熱方式可以有效帶走其熱量，另外壓接式功率器件對(duì)水冷基板表面強(qiáng)度和平面度均有一定要求。

本文基于某項(xiàng)目用水冷基板進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)研制產(chǎn)品的散熱性能和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

1設(shè)計(jì)要求

水冷基板外形尺寸為175mm×175mm×25mm，冷卻液進(jìn)、出水口在水冷基板兩側(cè)，在水冷基板正反面各壓接一塊功率器件，接觸面為φ125mm圓形區(qū)域，熱損耗均為4000W，產(chǎn)品組裝時(shí)施加壓力為90kN，需要通過(guò)富士感壓紙對(duì)板面壓力分布進(jìn)行檢測(cè)，圖1所示為功率器件布置示意圖。該水冷基板流動(dòng)特性參數(shù)要求如表1所示。

說(shuō)明：最大熱阻R=（水冷基板板面最高溫度T-冷卻液入口溫度T）/熱損耗Q。

2模型建立及仿真分析

根據(jù)功率模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其布局，保證流道盡可能在功率模塊正下方，同時(shí)水冷基板表面能夠承受90 kN壓力，采用螺旋線形式的流道設(shè)計(jì)，雙面加工，流道寬度4 mm，流道深度5 mm，保證水冷基板板面溫度均勻性。使用UG三維建模軟件完成模型建立，如圖2所示。

2.1流體仿真分析

應(yīng)用FloEFD流體仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析。首先對(duì)模型加載初始條件和邊界條件，將水冷基板材質(zhì)設(shè)置為6060鋁合金，水冷基板內(nèi)流體設(shè)置為去離子水，入口流量為6L/min，入口溫度為50℃，加載損耗共8000w。其次對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為提高計(jì)算精度，對(duì)水冷基板內(nèi)腔做細(xì)化網(wǎng)格處理，總數(shù)為1086 690。

流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律遵循物理學(xué)三大守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。流體動(dòng)力學(xué)基本方程組就是這三大定律對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述。對(duì)此次分析的水冷基板模型中，單位時(shí)間流出的冷卻液質(zhì)量等于流入的質(zhì)量，也可以說(shuō)微元控制體內(nèi)的流體密度不隨時(shí)間變化，計(jì)算中冷卻液為不可壓縮流體。

水冷基板板面溫度分布云圖如圖3所示，加熱板面最高溫度為83.36℃，功率模塊區(qū)域溫差小于3℃，均溫性良好。通過(guò)計(jì)算得到仿真分析結(jié)果匯總表如表2所示，由表可知，設(shè)計(jì)的水冷基板熱阻為8.34℃/kW，小于9.3℃/kW;流阻為0.039 MPa，小于0.04 MPa，流阻和熱阻參數(shù)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

2.2強(qiáng)度仿真分析

水冷基板板面壓力分布不均勻?qū)⒂绊憠航邮焦β誓K安裝及其散熱效果，基于有限元分析法應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)水冷基板模型進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析。在水冷基板正反面垂向分別加載90kN應(yīng)力，通過(guò)仿真計(jì)算，得到水冷基板表面變形量。水冷基板材質(zhì)特性如表3所示。

圖4所示為強(qiáng)度仿真分布云圖，從強(qiáng)度仿真結(jié)果可以看出，水冷基板等效應(yīng)力最大值為28.722 MPa，小于材質(zhì)的屈服強(qiáng)度，因此水冷基板表面施加壓力后屬于彈性變形，并且水冷基板表面功率模塊安裝區(qū)域壓力分布均勻，說(shuō)明此水冷基板方案設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步確認(rèn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案是否滿足技術(shù)要求，對(duì)水冷基板進(jìn)行樣件試制，采用真空釬焊工藝進(jìn)行焊接，對(duì)樣件進(jìn)行熱性能試驗(yàn)以及壓接試驗(yàn)。

3.1熱性能試驗(yàn)

如圖5所示，當(dāng)冷卻液流量為6L/min時(shí)，在熱性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行熱性能試驗(yàn)測(cè)試。應(yīng)用溫度傳感器讀取冷卻液進(jìn)口溫度，應(yīng)用壓力傳感器讀取水冷基板進(jìn)、出水口的壓力值，應(yīng)用T型熱電偶監(jiān)測(cè)水冷基板板面溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算，性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表中可以看出，水冷基板熱阻為7.92℃/kW，小于9.3℃/kW;流阻為0.038 MPa，小于0.04 MPa，并且試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果接近，均滿足技術(shù)要求。

3.2壓接試驗(yàn)

通過(guò)壓接工裝，將水冷基板與功率模塊壓接在一起，在功率模塊與水冷基板間放置富士感壓紙，施加90kN壓力，如圖6所示。富士感壓紙能夠直觀顯示出功率器件與水冷基板接觸面的壓力分布情況，壓接后的富士感壓紙壓力分布如圖7所示，整個(gè)區(qū)域分布均勻，說(shuō)明水冷基板表面狀態(tài)滿足要求。

4結(jié)束語(yǔ)

大功率壓接式功率器件的應(yīng)用需求逐漸提高，本文通過(guò)仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試對(duì)其冷卻用水冷基板的研究得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，說(shuō)明仿真分析方法和結(jié)果可信，應(yīng)用仿真計(jì)算可縮短設(shè)計(jì)周期和研發(fā)成本，有利于水冷基板的工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn);

（2）采用螺旋線結(jié)構(gòu)流道設(shè)計(jì)的水冷基板散熱能力和可靠性滿足大功率壓接式功率器件的要求，解決了大功率壓接式功率器件冷卻用水冷基板的研制工作。