IGBT用水冷板式散熱器的數(shù)值模擬

楊雄鵬，張 磊，曹 倫，陳若奇

(1. 西安交通大學(xué)， 陜西 西安 710049； 2. 特變電工西安電氣科技有限公司， 陜西 西安 710065；3. 特變電工新疆新能源股份有限公司， 新疆 烏魯木齊 830011)

IGBT用水冷板式散熱器的數(shù)值模擬

楊雄鵬1，2，3，張 磊2，3，曹 倫2，3，陳若奇2，3

(1. 西安交通大學(xué)， 陜西 西安 710049； 2. 特變電工西安電氣科技有限公司， 陜西 西安 710065；3. 特變電工新疆新能源股份有限公司， 新疆 烏魯木齊 830011)

在電力電子設(shè)備功率密度日益增長(zhǎng)的背景下，散熱設(shè)計(jì)成為產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵瓶頸。文中以冷板式強(qiáng)迫液體冷卻系統(tǒng)的數(shù)值模擬為例，介紹了冷板式強(qiáng)迫冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)以及該系統(tǒng)數(shù)值分析的原理和計(jì)算方法。對(duì)具體IGBT模塊進(jìn)行的散熱仿真模擬驗(yàn)證表明，水冷系統(tǒng)具有集成度高、模塊化強(qiáng)、散熱效率高、能耗低、噪聲低、占地空間小等眾多優(yōu)勢(shì)，可以很好地控制高功率模塊中IGBT芯片的溫度，有利于IGBT模塊等器件長(zhǎng)期安全可靠穩(wěn)定地工作，可降低模塊的故障率，提高整機(jī)產(chǎn)品的可靠性。

冷板；液體冷卻；數(shù)值模擬

引 言

在電力電子產(chǎn)品朝小型化方向發(fā)展的趨勢(shì)下，設(shè)備的熱功率密度越來(lái)越大，散熱問(wèn)題成為非常棘手的問(wèn)題。功率器件(如IGBT功率模塊)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的大量的熱如果得不到及時(shí)有效的排除，其內(nèi)部集成的功率器件管芯就會(huì)發(fā)熱，使結(jié)溫升高，進(jìn)而使器件失效甚至被燒毀。所以功率器件的散熱設(shè)計(jì)將成為制約電力電子設(shè)備小型化發(fā)展的核心和關(guān)鍵技術(shù)[1]。

水的比熱容是空氣的4倍，在同樣溫升和質(zhì)量流量的情況下，水吸收的熱量是空氣的4倍，因而水能夠吸收大量的熱量而溫度不會(huì)發(fā)生明顯的變化。而水冷系統(tǒng)集成度高，模塊化強(qiáng)，散熱效率高，能耗低，噪聲低，占地空間小。本文引入液冷技術(shù)，不僅能使高功率模塊中IGBT芯片的溫度得到很好的控制，還能使功率模塊內(nèi)IGBT芯片的溫度在極限工況下不會(huì)發(fā)生大的變化，有利于IGBT模塊等器件長(zhǎng)期安全可靠穩(wěn)定地工作，還能進(jìn)一步降低模塊的故障率，提高整機(jī)產(chǎn)品的可靠性。

1 模型的建立和仿真過(guò)程

1.1 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)是最經(jīng)濟(jì)的水冷系統(tǒng)，采用空氣換熱器冷板冷卻，其主要組成模塊包括水冷板、循環(huán)液(純水+乙二醇)、水泵、管道和水箱或氣冷換熱器和風(fēng)機(jī)。其原理如圖1所示：在水泵的動(dòng)力下，冷水流經(jīng)U型水槽的冷板，將IGBT模塊的熱量吸收，被加熱的純水流出冷板后，進(jìn)入空氣換熱器釋放水載的熱量，進(jìn)而將加熱的水冷卻，再在水泵的動(dòng)力下二次流入水冷板的入口，如此反復(fù)循環(huán)。是否采用水箱則取決于實(shí)際熱耗情況。

圖1 水冷散熱系統(tǒng)原理示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法

Flotherm仿真軟件是一款強(qiáng)大的應(yīng)用于電子元器件以及系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的三維CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件。CFD的基本思想是用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替原來(lái)在時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。

水冷系統(tǒng)問(wèn)題屬于不可壓縮、常物性、無(wú)內(nèi)熱源的三維對(duì)流傳熱問(wèn)題[2]，結(jié)合傳熱學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)基本理論，得出描述該問(wèn)題的微分方程組[3]：

1) 質(zhì)量守恒方程

(1)

2) 動(dòng)量守恒方程

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程

(5)

式中:u、v、w是速度矢量V在直角坐標(biāo)系x、y、z方向上的3個(gè)分量；μ為流體的粘性系數(shù)；τ為單位體積內(nèi)熱源形成的時(shí)間；ρ為微元體的密度；T為熱力學(xué)溫度；p為流體微團(tuán)所在處的靜壓力；Fx、Fy、Fz是體積力在x、y、z方向上的分量；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；cp為流體的定壓比熱容。

動(dòng)量守恒方程式(即Navier-Stokes方程)和質(zhì)量守恒方程式(又稱連續(xù)性方程)是描寫(xiě)粘性流體流動(dòng)過(guò)程的控制方程，都適用于不可壓縮粘性流體的層流及湍流流動(dòng)。

2 數(shù)值計(jì)算及模擬分析

2.1 數(shù)值計(jì)算

水冷板初始條件為：IGBT模塊熱耗為31 200 W, IGBT芯片的結(jié)殼熱阻Rjc= 0.019 5 K/W, IGBT模塊的殼到散熱器的熱阻Rch= 0.004 2 K/W；進(jìn)口水溫為35 ℃；水管通流截面為120 mm × 150 mm的矩形，共12條，通流長(zhǎng)度為369 mm；冷卻水以0.15 L/s的流量流經(jīng)內(nèi)徑為13.4mm的管道；冷水質(zhì)量流量為0.15 g/s。而其隱形初始條件為：冷卻水比熱為4 200 J/(kg·K), 水的動(dòng)力粘度為8 × 10-7m2/s，水的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.6W/(m·K)，水的普朗特?cái)?shù)Pr=5.4。

數(shù)值熱力推算IGBT殼溫為

T= Δt1+Δt2+ Δt3

(6)

式中：Δt1為冷板基座溫度；Δt2為冷板基座溫差；Δt3為冷板基殼到IGBT殼的溫差。

冷頭內(nèi)換熱總面積為

S2=NS=2.4 × 10-1m2

(7)

式中，N和S分別代表水槽的數(shù)量和單個(gè)水槽的內(nèi)換熱總面積。

冷卻水溫升為

(8)

式中：φ代表水冷板總的熱損耗；q代表水的熱容；m代表水的質(zhì)量。

2.2 模擬分析

通過(guò)Flotherm軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，在55 ℃環(huán)境溫度、3 000 m海拔工況下，IGBT散熱采用冷板強(qiáng)迫液體冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在入水口溫度為35 ℃、質(zhì)量流量為0.15 kg/s的條件下，冷卻水溫上升1.46 ℃，IGBT按照均勻體積熱源處理，最后的殼溫為46.5 ℃。

如圖2～圖6所示，水冷板系統(tǒng)溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)均已收斂平衡，可確保仿真結(jié)果。

圖2 矢量收斂曲線

圖3 溫度平衡曲線

圖4 IGBT模塊溫度場(chǎng)云圖

圖5 水流速度場(chǎng)云圖

圖6 冷板整體溫度、水流云圖

3 結(jié)束語(yǔ)

在電力電子產(chǎn)品朝小型化方向發(fā)展的趨勢(shì)下，設(shè)備熱功率密度越來(lái)越大。水冷系統(tǒng)有集成度高、模塊化強(qiáng)、散熱效率高、能耗低、噪聲低、占地空間小等優(yōu)勢(shì)。采用液冷技術(shù)，既可以使高功率模塊中IGBT芯片的溫度得到很好的控制，也能使功率模塊內(nèi)IGBT芯片溫度在極限工況下不會(huì)發(fā)生大幅度的變化，有利于IGBT模塊等器件長(zhǎng)期安全可靠穩(wěn)定地工作，還能進(jìn)一步降低模塊的故障率，提高整機(jī)產(chǎn)品的可靠性。

[1] 盧申林．電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)[J]．可靠性分析與研究，2004(12)：46-48.

[2] 楊世銘，陶文銓．傳熱學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2006．

[3] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). GJB-Z 27—1992 電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)[S]．北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)軍標(biāo)出版發(fā)行部，1992.

楊雄鵬(1983-)，男，碩士研究生，主要從事流動(dòng)和傳熱研究。

Numerical Simulation of Forced Liquid Cooling System with Cold Plate for IGBT

YANG Xiong-peng1,2,3，ZHANG Lei2,3，CAO Lun2,3，CHEN Ruo-qi2,3

(1.Xi′anJiaotongUniversity，Xi′an710049,China；2.TBEAXi′anElectricTechnologyCo.Ltd.,Xi′an710065,China;3.TBEASunoasisCo.Ltd.,Urumchi830011,China)

With the increase of the power density in power electronic equipment, heat dissipation design has become a key bottleneck in reliability design of the product. In this paper, with the numerical simulation of the forced liquid cooling system with cold plate as an example, the advantages of forced cooling system with cold plate, the principles and calculation method of its numerical analysis are introduced. The verification based on the specific thermal simulation of IGBT modules shows that the water cooling system enjoys the advantages such as high integration, high modularization, high heat dissipation efficiency, low energy consumption, low noise, low space requirement and so on. It can control the temperature of high-power IGBT modules well, and thus makes it sure that devices such as IGBT module can work with safety, reliability, stability, the low module failure rate and high overall reliability of the product.

cold plate; liquid cooling; numerical simulation

2013-11-14

國(guó)家863基金資助項(xiàng)目(2011AA05A305)

TK414.2+12;TP391.9

A

1008-5300(2014)02-0043-03