IGBT水冷散熱器的仿真與試驗(yàn)

張 敏 祝兵權(quán) 丁 煒 王傲能

（中冶南方（武漢）自動(dòng)化有限公司，湖北 武漢 430205）

隨著大功率電力電子器件的迅速發(fā)展，變頻器廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中。各行業(yè)對(duì)變頻器體積結(jié)構(gòu)要求越來(lái)越緊湊，這就意味著產(chǎn)品的體積熱流密度越來(lái)越大，對(duì)系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)要求也不斷提高。為提高產(chǎn)品的可靠性，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效散熱是非常重要的環(huán)節(jié)。IGBT 作為變頻器的主要功率器件，其單位體積發(fā)熱量較大，系統(tǒng)的功率密度和發(fā)熱量急劇增大，所以IGBT 的散熱就成為整機(jī)散熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

目前，電力電子設(shè)備中IGBT 常用的散熱方式主要是風(fēng)冷和液冷，與氣體冷卻相比，液體冷卻效果顯著提高[1-2]。針對(duì)IGBT水冷散熱器的研究，眾多學(xué)者已進(jìn)行大量研究，文獻(xiàn)[3-4]對(duì)模擬熱源、試驗(yàn)裝置進(jìn)行一系列研究。由于水冷散熱器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不少學(xué)者基于仿真模擬對(duì)水冷散熱器進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[5]介紹了一種針肋式（PIN-FIN）水冷散熱器的設(shè)計(jì)過(guò)程，并應(yīng)用ICEPAK 熱分析軟件對(duì)散熱器的三維流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析。該文以30kW 變頻器功率單元模塊用IGBT水冷散熱器為例，提出一種間斷平直肋片式水冷散熱器設(shè)計(jì)，并使用Flotherm 軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果表明，該散熱器滿足電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)要求。

1 變頻器功率單元結(jié)構(gòu)

該文以30kW 變頻器功率單元模塊為研究對(duì)象，其主要結(jié)構(gòu)由殼體、面蓋及內(nèi)部的IGBT、母線電容和銅排等組成，其中水冷散熱器作為一個(gè)冷板結(jié)構(gòu)件，IGBT 安裝在水冷散熱器基板上，其發(fā)熱量通過(guò)基板傳遞給肋片并通過(guò)冷卻液體將熱量帶走，散熱器內(nèi)部流道采用間斷式的平直肋片，與普通肋片相比增加水道內(nèi)體流體擾動(dòng)、提高散熱效率和減少流道內(nèi)壓力。冷卻水道的密封方式采用橡膠圈和密封蓋板通過(guò)螺栓鎖緊，滿足國(guó)標(biāo)的壓強(qiáng)要求。

2 水冷散熱器的類型

電力電子設(shè)備常用的液冷散熱器根據(jù)加工工藝可分為鉆孔式、壓管式、密封圈式以及焊接式等幾種方式。鉆孔式水冷散熱器是通過(guò)CNC 鉆頭在板上鉆孔形成的，通過(guò)機(jī)械密封或者焊接來(lái)形成流道，由于鉆孔深度有限，其尺寸受到限制。壓管式水冷散熱器將鋁板通過(guò)CNC 洗槽或型材拉槽，然后將銅管通過(guò)折彎形成水路，將管路通過(guò)導(dǎo)熱硅脂或釬焊與基板連接一起形成冷板，可靠性高但工藝復(fù)雜。密封圈式水冷散熱器使用CNC 或壓鑄加工水路、外蓋，然后用螺栓和密封圈壓合密封，其工藝簡(jiǎn)單成本低，內(nèi)部水道能檢驗(yàn)。焊接式水冷散熱器是指將沖壓好的鋁板通過(guò)摩擦攪拌焊或釬焊焊接在一塊鋁基板上形成水路，流道可以靈活設(shè)計(jì)，但內(nèi)部流道無(wú)法檢驗(yàn)，焊接不致密會(huì)導(dǎo)致存在泄露的風(fēng)險(xiǎn)。電力電子行業(yè)采用密封圈式和焊接式水冷散熱器較為廣泛，該文以一種密封圈式的水冷散熱器為例，進(jìn)行散熱性能研究。

3 仿真分析

3.1 仿真模型及條件設(shè)置

該文的研究是基于30kW的變頻器功率單元模塊，水冷散熱器采用密封圈式，與控制器整機(jī)作為一體結(jié)構(gòu)，工藝簡(jiǎn)單成本低。其內(nèi)部安裝了3 個(gè)IGBT 功率器件，根據(jù)電氣參數(shù)計(jì)算額定工況下總損耗為909W，過(guò)載工況下總損耗為2032W。冷卻介質(zhì)采用50%體積分?jǐn)?shù)的水和50%體積分?jǐn)?shù)的乙二醇混合物，其相關(guān)物理特性參數(shù)如下：密度為1042.1kg/m3，比熱容為3493J/（kg·℃），導(dǎo)熱系數(shù)為0.4W/（m·k），動(dòng)力黏度為1.78 MPa·s，當(dāng)冷卻液的進(jìn)出口溫升為5℃時(shí)，得出冷卻液的流量約為8L/min。采用Flotherm 熱分析軟件，分析散熱器的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布，仿真模型水冷區(qū)域定義冷卻液體參數(shù)，其他空間區(qū)域定義空氣參數(shù)，計(jì)算模型采用湍流模型，功率器件采用詳細(xì)物理建模，材料根據(jù)器件的分層實(shí)際材料參數(shù)設(shè)定。仿真網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)流道內(nèi)部區(qū)域和功率器件模型區(qū)域采用局部網(wǎng)格加密，流道區(qū)域網(wǎng)格尺寸采用0.5mm，器件模型區(qū)域網(wǎng)格最小尺寸為0.1mm，整個(gè)計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)量約為20 萬(wàn)個(gè)。

3.2 流體參數(shù)的影響

環(huán)境溫度和冷卻液入口溫度均設(shè)置為65℃，將冷卻液的流量分別設(shè)置為4L/min～20L/min，通過(guò)仿真得到額定工況下散熱器基板最高溫度隨流量變化如圖1（a）所示。

從以上仿真結(jié)果可以看出，隨著冷卻液流量增加，散熱器基板最高溫度呈下降趨勢(shì)。當(dāng)入口流量達(dá)到一定值時(shí)，散熱器基板最高溫度增加趨勢(shì)逐漸平緩。造成這種現(xiàn)象的主要原因是隨著冷卻液流量增加，限制散熱的主要因素不是冷卻液，而是散熱器的結(jié)構(gòu)。

將環(huán)境溫度設(shè)定為65℃，冷卻液流量設(shè)定為8L/min，冷卻液入口溫度分別設(shè)置為40℃～65℃，通過(guò)仿真可計(jì)算額定工況下散熱器基板最高溫度隨冷卻液入口溫度變化，如圖1（b）所示。通過(guò)以上仿真計(jì)算結(jié)果可以看出散熱器基板表面最高溫度與冷卻液入口溫度有直接關(guān)系，隨著入口溫度增加，散熱器的溫度也逐漸增加，且與冷卻液入口溫度成線性關(guān)系。

圖1 散熱器基板表面最大溫度隨冷卻液流量和入口溫度的變化

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

在冷卻液流量為8L /min、環(huán)境和冷卻液入口溫度均為65℃的前提下，該文使用Flotherm 軟件研究水冷散熱器的基板厚度、肋片長(zhǎng)度及高度3 個(gè)特性參數(shù)對(duì)散熱性能的影響。

保持其他參數(shù)不變，分析基板厚度在5mm～15mm 變化范圍內(nèi)其溫度的變化趨勢(shì)。從圖2（a）的仿真結(jié)果可以看出，基板厚度增加時(shí)其表面最高溫度逐漸上升，這是因?yàn)榛搴穸仍黾訉?dǎo)致IGBT 和冷卻液之間的傳遞熱阻也隨著增加，散熱性能變差。

間斷式肋片長(zhǎng)度影響對(duì)流換熱面積的大小，從而影響散熱。該文研究了肋片長(zhǎng)度為5mm～40mm 時(shí)，散熱器基板表面最高溫度的變化如圖2（b）所示?？梢钥闯?，當(dāng)長(zhǎng)度為5mm～20mm 時(shí)，隨著肋片長(zhǎng)度增加，基板表面最高溫度逐漸下降且趨勢(shì)比較明顯；當(dāng)長(zhǎng)度為20mm～40mm 時(shí)，基板表面最高溫度隨著肋片長(zhǎng)度增溫度下降趨勢(shì)緩慢，且趨于穩(wěn)定。

該文研究了肋片高度在6mm～20mm 變化范圍時(shí)，散熱器基板表面最高溫度和內(nèi)部水道阻力的變化如圖2（c）所示，可以看出散熱器基板溫度隨著肋片高度增加而增加，但冷卻水道的內(nèi)部阻力隨著高度增加而減少，且在高度達(dá)到12mm以后，內(nèi)部阻力減少緩慢，趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)槔咂叨仍黾与m然會(huì)增加對(duì)流換熱面積，但同時(shí)會(huì)降低流速?gòu)亩鴾p少對(duì)流換熱系數(shù)，導(dǎo)致散熱變差。

圖2 熱仿真結(jié)果

通過(guò)研究水冷散熱器的基板厚度、肋片長(zhǎng)度和高度對(duì)散熱的影響，可以得出控制器水冷散熱器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)：在滿足強(qiáng)度的前提下，基板的厚度取5mm；肋片的長(zhǎng)度取20mm～25mm，設(shè)計(jì)時(shí)取22mm；結(jié)合流道阻力和溫度變化肋片高度取10mm，使用Flotherm 分析得到了散熱器基板表面溫度場(chǎng)和內(nèi)部水道截面壓力分布。

4 試驗(yàn)研究

該研究使用30kW電機(jī)機(jī)組和水冷測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行額定工況下樣機(jī)溫升測(cè)試，受試驗(yàn)條件限制，水冷散熱器在測(cè)試條件下，其環(huán)境溫度和冷卻液體的溫度不能滿足65℃的條件，在分析試驗(yàn)結(jié)果的過(guò)程中，采用測(cè)試點(diǎn)溫升值與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。水冷測(cè)試平臺(tái)裝有流量和溫度檢測(cè)設(shè)備，用來(lái)檢測(cè)冷卻液的流量和入口溫度。整機(jī)裝配時(shí)將熱電偶線布置在IGBT 附近的散熱器基板上，測(cè)量溫度變化，圖3 是變頻器熱測(cè)試時(shí)熱電偶布置的位置圖。

圖3 變頻器熱電偶測(cè)試點(diǎn)布置圖

變頻器功率單元樣機(jī)在額定工況下進(jìn)行溫升試驗(yàn)，測(cè)試點(diǎn)U、V、W 分別代表U 相、V 相和W 相的IGB 旁基板表面，測(cè)試點(diǎn)溫度趨于穩(wěn)定半小時(shí)后記錄測(cè)試值，表1 是變頻器額定工況下的測(cè)試值與仿真值對(duì)比。

表1 變頻器額定工況下測(cè)試值與仿真值對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比可知，仿真模擬的結(jié)果基本與試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)相吻合，九個(gè)測(cè)試點(diǎn)的最大誤差是-1.2℃，屬于合理范圍內(nèi)。因此說(shuō)明使用Flotherm 軟件進(jìn)行水道模擬仿真具有較好的適用性。

5 結(jié)論

該文以具有間斷平直肋片式特性的水冷散熱器為研究對(duì)象，使用Flotherm 軟件模擬分析冷卻液體的流量和入口溫度以及水冷散熱器的基板厚度、肋片長(zhǎng)度及高度等5 種因素對(duì)散熱性能的影響，得到了結(jié)構(gòu)的最佳尺寸，滿足了IGBT散熱性能要求。利用電機(jī)和水冷測(cè)試平臺(tái)在額定工況下進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)合仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試數(shù)據(jù)表明水冷散熱器滿足設(shè)計(jì)要求。該研究結(jié)果可為間斷平直肋片式IGBT水冷散熱器的性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。