IGBT水冷散熱器的仿真與試驗

張 敏 祝兵權(quán) 丁 煒 王傲能

（中冶南方（武漢）自動化有限公司，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)對變頻器體積結(jié)構(gòu)要求越來越緊湊，這就意味著產(chǎn)品的體積熱流密度越來越大，對系統(tǒng)的散熱設(shè)計要求也不斷提高。為提高產(chǎn)品的可靠性，實現(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 的散熱就成為整機散熱設(shè)計的關(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IGBT水冷散熱器的研究，眾多學(xué)者已進行大量研究，文獻[3-4]對模擬熱源、試驗裝置進行一系列研究。由于水冷散熱器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不少學(xué)者基于仿真模擬對水冷散熱器進行研究，文獻[5]介紹了一種針肋式（PIN-FIN）水冷散熱器的設(shè)計過程，并應(yīng)用ICEPAK 熱分析軟件對散熱器的三維流場和溫度場進行了仿真分析。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，并使用Flotherm 軟件對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，將試驗測試結(jié)果和仿真數(shù)據(jù)對比，結(jié)果表明，該散熱器滿足電機控制器的設(shè)計要求。

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)熱量通過基板傳遞給肋片并通過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、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螺栓鎖緊，滿足國標的壓強要求。

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CNC 鉆頭在板上鉆孔形成的，通過機械密封或者焊接來形成流道，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CNC 洗槽或型材拉槽，然后將銅管通過折彎形成水路，將管路通過導(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，其工藝簡單成本低，內(nèi)部水道能檢驗。焊接式水冷散熱器是指將沖壓好的鋁板通過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，但內(nèi)部流道無法檢驗，焊接不致密會導(dǎo)致存在泄露的風(fēng)險。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，與控制器整機作為一體結(jié)構(gòu)，工藝簡單成本低。其內(nèi)部安裝了3 個IGBT 功率器件，根據(jù)電氣參數(shù)計算額定工況下總損耗為909W，過載工況下總損耗為2032W。冷卻介質(zhì)采用50%體積分數(shù)的水和50%體積分數(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），動力黏度為1.78 MPa·s，當冷卻液的進出口溫升為5℃時，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和流場分布，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)，計算模型采用湍流模型，功率器件采用詳細物理建模，材料根據(jù)器件的分層實際材料參數(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，整個計算模型的網(wǎng)格數(shù)量約為20 萬個。

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。當入口流量達到一定值時，散熱器基板最高溫度增加趨勢逐漸平緩。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℃，通過仿真可計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。通過以上仿真計算結(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、肋片長度及高度3 個特性參數(shù)對散熱性能的影響。

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。從圖2（a）的仿真結(jié)果可以看出，基板厚度增加時其表面最高溫度逐漸上升，這是因為基板厚度增加導(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。

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

該文研究了肋片高度在6mm～20mm 變化范圍時，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，且在高度達到12mm以后，內(nèi)部阻力減少緩慢，趨于穩(wěn)定。這是因為肋片高度增加雖然會增加對流換熱面積，但同時會降低流速從而減少對流換熱系數(shù)，導(dǎo)致散熱變差。

圖2 熱仿真結(jié)果

通過研究水冷散熱器的基板厚度、肋片長度和高度對散熱的影響，可以得出控制器水冷散熱器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)：在滿足強度的前提下，基板的厚度取5mm；肋片的長度取20mm～25mm，設(shè)計時取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和內(nèi)部水道截面壓力分布。

4 試驗研究

該研究使用30kW電機機組和水冷測試平臺進行額定工況下樣機溫升測試，受試驗條件限制，水冷散熱器在測試條件下，其環(huán)境溫度和冷卻液體的溫度不能滿足65℃的條件，在分析試驗結(jié)果的過程中，采用測試點溫升值與仿真結(jié)果進行對比。水冷測試平臺裝有流量和溫度檢測設(shè)備，用來檢測冷卻液的流量和入口溫度。整機裝配時將熱電偶線布置在IGBT 附近的散熱器基板上，測量溫度變化，圖3 是變頻器熱測試時熱電偶布置的位置圖。

圖3 變頻器熱電偶測試點布置圖

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

表1 變頻器額定工況下測試值與仿真值對比

通過試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比可知，仿真模擬的結(jié)果基本與試驗測試的數(shù)據(jù)相吻合，九個測試點的最大誤差是-1.2℃，屬于合理范圍內(nèi)。因此說明使用Flotherm 軟件進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、肋片長度及高度等5 種因素對散熱性能的影響，得到了結(jié)構(gòu)的最佳尺寸，滿足了IGBT散熱性能要求。利用電機和水冷測試平臺在額定工況下進行試驗研究，結(jié)合仿真結(jié)果進行對比，測試數(shù)據(jù)表明水冷散熱器滿足設(shè)計要求。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)計提供依據(jù)。