大功率IGBT散熱器水冷熱阻計算

羅冰洋　黃麗婷　莫易敏　袁　慕

摘要：為了優(yōu)化水冷散熱器散熱能力，保障其可靠工作，引用了傳熱學(xué)中的基本原理與公式，以散熱器外形的機械尺寸、水的強制對流換熱系數(shù)和水的導(dǎo)熱系數(shù)作為參數(shù)及變量推導(dǎo)了散熱器水冷熱阻的計算公式。同時為了滿足實際應(yīng)用，開發(fā)了一種專用水冷散熱器熱阻計算和曲線繪制軟件，可以顯示熱阻隨參數(shù)變化而變化的各種曲線，也可以直接計算顯示熱阻值。為散熱器的設(shè)計中參數(shù)的優(yōu)化選擇提供直觀方便的參考。

關(guān)鍵詞：水冷散熱器； 熱阻計算； 軟件； 大功率IGBT散熱器

中圖分類號：TN964?34 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2013）02?0165?03

和諧型電力機車是采用大功率半導(dǎo)體技術(shù)的交直交變流型電力機車。由于其具有先進的交流變頻調(diào)速、再生發(fā)電制動、大功率交流電機控制和自動化程度高等技術(shù)特點，使其在鐵路主干線運輸中的高速大功率機車上廣泛應(yīng)用。每臺機車的變流器使用了三種IGBT模塊，即：四象限斬波器（4QC）模塊、電機側(cè)逆變器模塊（Inv）和輔助逆變器模塊。對某機務(wù)段2009年7月到2011年5月4日為止的305臺HXD1B電力機車變流器故障進行調(diào)研，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，合計共有4 880個模塊在使用，出現(xiàn)故障255件次，出故障的IGBT 模塊顯示至少有一個IGBT 芯片失效，至今為止還未見除功率半導(dǎo)體器件外的原因造成的模塊故障，這種故障隨著季節(jié)性環(huán)境溫度的升高而增多。由此推斷，IGBT失效與其散熱狀況密切相關(guān)，所以對于電子器件的冷卻和散熱成為后期研究的重點之一。通過研究器件的冷卻和散熱問題，對其散熱條件進行優(yōu)化改造，使其能盡量長時間工作在溫度適宜的環(huán)境下，降低事故發(fā)生率，從而對于維護鐵路機車安全運行有重要作用。

本文通過對大功率IGBT散熱器的散熱過程分析，先引用了傳熱學(xué)中的基本原理與公式，將熱阻的計算分為散熱器內(nèi)固體傳熱過程產(chǎn)生的導(dǎo)熱熱阻以及散熱器與冷卻液間的傳熱過程產(chǎn)生的對流換熱熱阻兩部分，以散熱器外形的機械尺寸、水的強制對流換熱系數(shù)和水的導(dǎo)熱系數(shù)作為參數(shù)及變量推導(dǎo)了散熱器水冷熱阻的計算公式。為了簡化分析，編制了用于熱阻計算的軟件。該軟件具有簡單清晰的操作界面，可以顯示熱阻隨參數(shù)變化而變化的各種曲線，也可以直接計算顯示熱阻值。為散熱器的設(shè)計分析提供直觀方便的參考。

1 傳熱學(xué)的基本公式和原理

1.1 熱傳遞的原理與基本方式

熱傳導(dǎo)導(dǎo)熱的基本公式[1?3]為：

2.2 熱阻計算說明

下面用實例說明圖5，圖6熱阻曲線的制圖過程。在“1.3實例”中已經(jīng)計算出串聯(lián)A模型，B模型的總熱阻。首先，我們將水的導(dǎo)熱系數(shù)λ0.5[W/mk]， L=0.005 m，le=0.55 m，B=0.45 m填入相應(yīng)空格內(nèi)。然后選擇曲線類型。不同水的強制對流換熱系數(shù)下，散熱器有效散熱面積與熱阻之間的關(guān)系如圖5所示。不同有效散熱面積下，水的強制對流換熱系數(shù)與熱阻之間的關(guān)系如圖6所示。在界面左下方還有“計算水冷熱阻”，點擊進入熱阻計算界面，如圖所示。按要求填入各個參數(shù)值：λ=0.5[W/mK]，L=0.005 m，le=0.55 m，B=0.45 m，h=1 000 [W/m2K]當輸入面積為1.411 8是算出熱阻值為92.502 801 066 337[cm2K/W]，與上面公式計算模型A結(jié)果92.503[ cm2K/W]相吻合。

3 結(jié) 語

本文主要介紹了利用傳熱學(xué)基礎(chǔ)原理和公式推導(dǎo)的大功率半導(dǎo)體器件用散熱器水冷熱阻計算公式和為應(yīng)用方便開發(fā)的此公式的熱阻計算和熱阻曲線繪圖計算機軟件，經(jīng)實例計算和曲線的繪制，可用于水冷散熱器設(shè)計時參考。要注意的是本公式的精確性受到多重因素的影響，存在一定的誤差，且本文中所用的散熱器熱阻公式只適合水冷散熱器。

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