基于Fluent的散熱器熱仿真設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

馬雅青，閆家益，余軍

（1.株洲中車時(shí)代電氣伯明翰研發(fā)中心，伯明翰B377YE，英國(guó)；2.株洲中車時(shí)代半導(dǎo)體有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

作為解決全球變暖、減少二氧化碳排放量的措施之一，電動(dòng)汽車取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)[1]。作為電動(dòng)汽車的核心部件，逆變器的可靠性將決定電動(dòng)汽車的使用壽命，特別是由絕緣柵雙極型晶體管芯片（IGBT）損耗帶來(lái)的熱設(shè)計(jì)問(wèn)題。在逆變器的設(shè)計(jì)階段，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)逆變器中的散熱器在冷卻液額定流速下的IGBT模塊結(jié)溫變化及出入口的壓力損失，將會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)成功與否起到?jīng)Q定性作用。

目前，分析評(píng)估散熱器的散熱效率主要有兩種方式：試驗(yàn)方法和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真方法。針對(duì)試驗(yàn)方法，基本采用通過(guò)測(cè)量模塊熱阻、結(jié)溫溫度等來(lái)檢測(cè)散熱器的散熱能力。Xin等[2]提出了一種用于研究大功率IGBT模塊內(nèi)IGBT 和二極管芯片之間的熱耦合效應(yīng)的試驗(yàn)方法。其中系統(tǒng)級(jí)熱阻是通過(guò)半橋、大功率IGBT 模塊內(nèi)的單芯片加熱方法獲得的。隨后使用具有雙芯片加熱的附加方法來(lái)驗(yàn)證前一種方法的有效性。最后，對(duì)有無(wú)熱耦合的IGBT和二極管芯片的結(jié)溫進(jìn)行了分析比較。黃雙福等[3]對(duì)兩種型號(hào)半導(dǎo)體制冷片的熱端進(jìn)行了試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)，分析了熱端散熱工況對(duì)冷端溫度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，改善熱端散熱條件能夠提高單片半導(dǎo)體制冷片性能，同時(shí)在試驗(yàn)測(cè)試的最佳散熱條件下采用分離電流輸入兩級(jí)制冷可使冷端溫度大幅降低。

由于計(jì)算流體仿真具有省時(shí)低耗、模型修改便利、利于結(jié)構(gòu)優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)，其在散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。針對(duì)某型翅片平板熱管散熱器，陳善友等[4]利用計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件對(duì)散熱器進(jìn)行仿真對(duì)比仿真，發(fā)現(xiàn)非等長(zhǎng)翅片構(gòu)型的散熱效率優(yōu)于等長(zhǎng)翅片熱管散熱器。Mohammad等[5]采用計(jì)算仿真技術(shù)預(yù)測(cè)在初始設(shè)計(jì)中半導(dǎo)體器件的溫度。在COMSOL軟件中演示了根據(jù)有限元熱模型對(duì)精確熱阻參數(shù)的估計(jì)。并將具有溫度相關(guān)功率損耗模型的電氣模型與精細(xì)的熱模型耦合求解。結(jié)果表明，材料非線性、熱油脂層和冷卻邊界條件對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)IGBT 和二極管溫度的影響非常重要。所提出的模型與有限元分析結(jié)果一致，與試驗(yàn)結(jié)果相比相差2%～6.5%。Mohanad等[6]使用共軛傳熱模型數(shù)值研究了帶三角形銷的傾斜開槽板翅式微型通道散熱器對(duì)層流對(duì)流傳熱和流體流動(dòng)的影響。為了優(yōu)化散熱器的水熱性能，對(duì)槽和銷的幾何設(shè)計(jì)進(jìn)行了參數(shù)研究。該研究是通過(guò)改變傾斜槽的高度、槽的角度及銷相對(duì)于槽前緣的位置來(lái)進(jìn)行的。CFD 結(jié)果表明，與55°傾角的全高度槽相比，努塞爾數(shù)和水熱性能因子分別提高了1.5和1.43。Yin Liming等[7]設(shè)計(jì)了一種帶有冷卻澆注T形冷卻液分配器的新型微通道散熱器。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)表明，在相同條件下，與常規(guī)直管式微通道散熱器相比，流結(jié)構(gòu)微通道散熱器的最高溫度降低了7.4 ℃，溫度均勻度提高了6.3 ℃，進(jìn)出口壓力降低了近33 kPa。 新型結(jié)構(gòu)微通道散熱器具有更好的散熱能力、更好的溫度均勻性和更低的壓降。

本文針對(duì)某款電動(dòng)汽車散熱器設(shè)計(jì)，采用ANSYS Fluent 軟件進(jìn)行仿真，首先將出入口的壓力損失與試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了流體模型的可靠性。然后進(jìn)行熱仿真分析，提取每個(gè)IGBT模塊的結(jié)溫，證明了設(shè)計(jì)的散熱器可以提供良好的降溫要求，滿足設(shè)計(jì)要求。

1 數(shù)值模型

1.1 流體模型

考慮到散熱器內(nèi)部的菱形Pinfin結(jié)構(gòu)及流體在散熱器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、流動(dòng)分離等現(xiàn)象，采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型[8]。其傳輸方程分別為：

1.2 材料屬性

數(shù)值模型主要由三部分組成，即散熱器殼體、IGBT模塊及冷卻液。其中，殼體材料為鋁合金6063；冷卻液為50%乙二醇水溶液；IGBT主要由襯板、墊片、焊料及芯片組成，其截面剖圖如圖1所示（包含模塊與散熱器之間的導(dǎo)熱硅脂）。

圖1 模塊剖面圖

仿真模型所需要的材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性參數(shù)

1.3 網(wǎng)格模型與邊界條件

散熱器由三部分組成，中間兩層總共布置8塊IGBT模塊。散熱器整體長(zhǎng)寬厚分別為226 mm，41.2 mm 和36.6 mm。所有模型統(tǒng)一采用1 mm的網(wǎng)格長(zhǎng)度以保證有效的網(wǎng)格密度。網(wǎng)格模型如圖2所示。節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)總共為636 796，網(wǎng)格個(gè)數(shù)為2 304 392。按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格書，冷卻液的入口流速為10 L/min，入口溫度為70 ℃。

圖2 網(wǎng)格模型

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

流體模型的選擇將決定整個(gè)仿真是否準(zhǔn)確有效的關(guān)鍵。本文先通過(guò)與試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證流體模型。流體在散熱器中的壓力分布如圖3所示。

圖3 流體壓力分布圖

需要指出的是，在仿真設(shè)置中，將出口的壓力設(shè)為0，因而圖3中的壓力都是相對(duì)于出口的壓力值。從圖中可以看出，液體在3塊散熱器中的壓力分布相對(duì)一致，從而證明了散熱器能夠?qū)⒗鋮s液合理地分布在3塊散熱器片中，也為有效冷卻模塊奠定了基礎(chǔ)。

從軟件中提取了入口的面平均壓力并與試驗(yàn)結(jié)果羅列到表2中。

表2 散熱器壓力損失對(duì)比

從表2可以看出，仿真結(jié)果的壓力損失21.3 kPa與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的20.8 kPa吻合良好，誤差約為2.4%。因此可以看出采用的可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型可以準(zhǔn)確地模擬出冷卻液在散熱器中的流動(dòng)過(guò)程。借助于此模型，將進(jìn)行模塊與散熱器的熱仿真分析。

3 結(jié)果與討論

IGBT模塊上芯片上的功率損耗是唯一的熱量來(lái)源。按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格書，每個(gè)芯片上的功率損耗如表3所示。

表3 芯片功率損耗

其中芯片編碼中首數(shù)字為模塊編號(hào)，第二字母I代表IGBT芯片、D代表二極管，第三數(shù)字代表芯片編號(hào)。在Fluent軟件中，芯片的損耗功率是以功率密度，即功率與體積的比值，作為輸入值而非功率本身。采用SIMPLEC的壓力速度耦合方法，因其在計(jì)算封閉域流體上的優(yōu)越性，同時(shí)收斂速度較快。

從圖4看出，隨著散熱器與模塊之間的熱交互作用，散熱器從入口端到出口端呈現(xiàn)溫度增加的趨勢(shì)。而上層散熱器相較于中層、下層溫度較低是由模塊的本身結(jié)構(gòu)決定的。如圖1所示，芯片的位置位于模塊的底部，因此熱量也主要傳遞到中層與下層散熱器上。特別在#1和#5模塊接觸處，因其總體功率損耗最高，使得散熱器的表面溫度明顯增高，到達(dá)132.5 ℃。即使如此，此溫度也是在鋁合金6063可接受范圍內(nèi)。

圖4 散熱器溫度分布云圖

由于#1模塊的最高功率損耗，因此以此為例說(shuō)明熱量在模塊內(nèi)部的傳遞，如圖5所示。從圖中可以看出，大部分的熱量從芯片所在的底部直接傳遞到散熱器上，而上部分的熱量傳遞較少，溫度也相對(duì)較低。最高的結(jié)溫155.4 ℃出現(xiàn)在IGBT芯片上。具體每個(gè)芯片的最高結(jié)溫如圖5所示。

圖5 #1模塊溫度分布云圖

圖6 芯片結(jié)溫

最高的IGBT芯片結(jié)溫發(fā)生在#1-I-2和#5-I-2上，其對(duì)應(yīng)的功率損耗也是最高的298 W。同時(shí)，最高的二極管芯片結(jié)溫也發(fā)生在模塊#1和模塊#5上，其對(duì)應(yīng)的功率損耗也是二極管芯片中的最高值92 W。從圖中還可以看出，雖然#5模塊與#6模塊有著相同的功率損耗值，但#6模塊上的芯片結(jié)溫統(tǒng)一比模塊#5上低。這是由于冷卻液流經(jīng)模塊#6時(shí)，通過(guò)吸收其散出來(lái)的熱量，流體的溫度增加，再流經(jīng)#5模塊時(shí)冷卻效果變差導(dǎo)致的，如圖7所示。

圖7 冷卻液溫度分布云圖

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，最高散熱器表面溫度為132.5 ℃，不會(huì)對(duì)鋁合金6063造成任何材料損傷。最高的冷卻液溫度85.5 ℃也在合理范圍之內(nèi)。特別是最高的芯片結(jié)溫均低于模塊的額定值175 ℃。因此，散熱器可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文借助于Fluent 軟件對(duì)某型散熱器進(jìn)行了熱仿真分析，選擇可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型，采用SIMPLEC的壓力速度耦合方法及標(biāo)準(zhǔn)型初始化完成仿真設(shè)計(jì)。

1）仿真結(jié)果中散熱器的壓力損失與試驗(yàn)結(jié)果誤差僅為2.4%，證明了湍流模型選擇的合理性及仿真設(shè)計(jì)的正確性，為接下來(lái)的熱仿真分析奠定了基礎(chǔ)；

2）散熱器表面的最高溫度、模塊的最高結(jié)溫均在設(shè)計(jì)要求范圍以內(nèi)，說(shuō)明散熱器的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求；

3）借助于此仿真模型，可以在將來(lái)工作中對(duì)散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步降低模塊的結(jié)溫，提高冷卻效率；

4）此次仿真模型同樣將適用于將來(lái)的散熱器設(shè)計(jì)工作，可以有效地降低試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)省開發(fā)成本，快速尋找設(shè)計(jì)缺陷。