電力電子功率器件用風(fēng)冷散熱器換熱技術(shù)研究

孫元邦，李 峰，韋志宇，孔麗君，王 博

（中車大連機車研究所有限公司，遼寧 大連 116021）

0 引言

隨著電力電子科學(xué)技術(shù)的科學(xué)發(fā)展，電力電子功率器件的應(yīng)用更加廣泛，而決定電子器件使用壽命和性能的，一是器件本身的性能，二是電子器件的工作溫度，即用于電子器件散熱的散熱器的換熱能力[1]。目前，在熱流密度小于4 W/cm2的電力電子設(shè)備中，多數(shù)采用風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)，例如電力機車、內(nèi)燃機車輔助逆變器等用電設(shè)備的冷卻系統(tǒng)中的散熱器采用的是風(fēng)冷散熱器。張梁娟等[2]利用FloTHERM對風(fēng)冷模塊進行熱仿真，并用試驗測試結(jié)果驗證了仿真結(jié)果的可靠性，同時測試類多種冷板的散熱性能。楊景珊[3]選取3種典型的風(fēng)冷散熱器（即平直肋片散熱器、填充泡沫金屬的矩形通道散熱器以及放射狀肋片散熱器）為研究對象，利用CFD軟件對散熱器的換熱能力進行強化，并對流動與傳熱綜合性能進行優(yōu)化。王長昌等[4]應(yīng)用散熱仿真軟件FLoTHERM對風(fēng)冷散熱器散熱性能進行了仿真計算，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)進行了對比分析，研究了冷卻風(fēng)速、齒片密度和高度等參數(shù)對風(fēng)冷散熱器散熱性能的影響。邵強等[5]以矩形翅片式散熱器為例簡要分析了強迫風(fēng)冷散熱所需的參考風(fēng)量；基于散熱器結(jié)構(gòu)形式和流體力學(xué)原理，推導(dǎo)出散熱風(fēng)道的風(fēng)阻估算公式；結(jié)合對風(fēng)機P－Q特性曲線的簡要分析，快速得出風(fēng)機實際的工作點和通風(fēng)風(fēng)量。潘舒潔[6]選擇風(fēng)冷散熱器來進行研究，簡單闡明了散熱設(shè)計中的散熱計算、散熱器選擇、風(fēng)冷散熱計算和風(fēng)扇選擇等步驟，完成簡單的風(fēng)冷散熱器設(shè)計。劉巍等[7]應(yīng)用ICEPAK熱仿真軟件，對散熱器的2種減重設(shè)計方法（增大翅片間距和減小翅片高度）進行了對比分析。本文分別對型材、鏟齒和板翅式風(fēng)冷散熱器的結(jié)構(gòu)、散熱性能進行介紹。

1 風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)

1.1 常用的風(fēng)冷散熱器

常見的風(fēng)冷散熱器是由金屬加工成形，并由冷卻空氣流過散熱器而把電子器件的熱量散發(fā)到大氣環(huán)境中的一種散熱器。在常見的金屬材料中，銀的導(dǎo)熱系數(shù)最高為420 W/m·K，但它的成本昂貴；銅的導(dǎo)熱系數(shù)為383 W/m·K，比較接近銀的水平，但加工工藝復(fù)雜、成本高而且重量比較重；6063鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)為201 W/m·K，價格低廉、加工特性好、表面容易處理，性價比較高，因此目前主流風(fēng)冷散熱器的材料一般都會選用此鋁合金。圖1所示為兩種常見的風(fēng)冷散熱器。常用的風(fēng)冷散熱器的加工方法主要有以下幾種：（1）鋁合金拉制成型，單位體積的傳熱面積可達到300 m2/m3左右，冷卻方式為自然冷卻和強迫通風(fēng)冷卻；（2）散熱片與基板鑲嵌一體，可采用鉚合、環(huán)氧樹脂粘接、釬焊焊接、錫焊焊接等工藝方法把散熱翅片和基板連接起來，另外基板的材質(zhì)也可以為銅合金，單位體積的傳熱面積可達到500 m2/m3左右，冷卻方式為自然冷卻和強迫通風(fēng)冷卻；（3）鏟齒成型，此種散熱器可消除散熱片與基板的熱阻，散熱片的間距可小于1.0 mm，單位體積的傳熱面積可達到2 500 m2/m3左右，加工方法如圖2所示，冷卻方式為強迫通風(fēng)冷卻。

圖1 常用的風(fēng)冷散熱器

圖2 鏟齒式風(fēng)冷散熱器加工方法

1.2 板翅式風(fēng)冷散熱器

板翅式風(fēng)冷散熱器是由多個零部件經(jīng)釬焊加工而成的一種風(fēng)冷散熱器，其主要由散熱片、肋板和基板等3個部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，散熱片可采用平片、波紋片、錯口翅片等結(jié)構(gòu)?？紤]到肋板的焊接工藝，肋板、散熱片和基座等多選擇3系列鋁材，保證板翅式風(fēng)冷散熱器的可焊接性。板翅式風(fēng)冷散熱器單位體積的傳熱面積可達到650 m2/m3左右，冷卻方式為自然冷卻和強迫通風(fēng)冷卻。

圖3 板翅式風(fēng)冷散熱器

2 各種風(fēng)冷散熱器熱性能

2.1 常用的型材風(fēng)冷散熱器

2.1.1 自然散熱

常用的風(fēng)冷散熱器主要以自然冷卻的方式對電子器件進行冷卻，其散熱性能主要取決于散熱翅片厚度、翅片間距、翅片高度和沿冷卻空氣流動方向的散熱翅片長度等。自然散熱，那有效散熱面積當(dāng)然越大越好，最直接的辦法就是減少翅片間距、增加翅片數(shù)量，但翅片的間隙小到一定程度會影響自然對流的邊界層，相鄰翅片板壁的邊界層一旦匯合，那翅片之間的空氣流速就急劇下降，散熱效果也急劇下降。通過對風(fēng)冷散熱器熱性能仿真計算和試驗檢測，當(dāng)散熱翅片長度為100 mm、熱流密度為0.1 W/cm2的條件下，不同翅片間距的散熱效果如圖4所示，最佳片距為8.0 mm左右。若散熱翅片長度增加時，最佳翅片間距將變大[8]。

圖4 基板溫度與翅片間距的關(guān)系曲線

2.1.2 強迫對流散熱

波紋風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)為翅高98 mm、翅片長度400 mm、翅片厚度4 mm、翅片間距4 mm、冷卻空氣迎面流速8 m/s，熱流密度2.38 W/cm2的波紋風(fēng)冷散熱器進行溫升試驗。試驗結(jié)果得散熱器溫升45 K，冷卻空氣壓力損失為110 Pa，單位體積散熱量為245 kW/m3。另外，功率元件安裝面的均勻性較差，其溫差達到10℃左右，目前針對這個問題，通常在風(fēng)冷散熱器安裝面上埋設(shè)銅熱管，可以使功率元件安裝面的均溫性在熱管鋪設(shè)方向上得到明顯改善，垂直方向上效果不明顯，若在基板中采用均熱板技術(shù)，功率元件安裝面整體的均溫性可控制在3℃范圍內(nèi)，并且散熱器的溫升也可以得到一定的降低，本試驗件可降低3℃左右。

運用熱仿真計算軟件，在外界條件相同的條件下，對直齒和波紋形散熱翅片進行仿真計算，其結(jié)果如圖5所示。直齒散熱翅片功率器件安裝面溫度為153.5℃，波紋形散熱翅片為133.5℃，因此，波紋風(fēng)冷散熱器的冷卻能力優(yōu)于直齒風(fēng)冷散熱器，但兩者散熱翅片本體的溫度均勻性比較差，從而對散熱器的冷卻性能產(chǎn)生較大的影響。

圖5 直齒和波紋形散熱翅片溫度場

2.2 板翅式風(fēng)冷散熱器

板翅式風(fēng)冷散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為通風(fēng)部分高度100 mm，翅片長度240 mm，翅片間距4 mm，冷卻空氣迎面流速8 m/s，熱流密度4.81 W/cm2，測試結(jié)果為散熱器溫升45℃，冷卻空氣壓力損失為460 Pa，單位體積散熱量為374 kW/m3。與波紋風(fēng)冷散熱器比較，單位體積散熱能力提高52.7%，但空氣壓力損失也較大。

2.3 鏟齒風(fēng)冷散熱器

為了了解鋁制鏟齒散熱器的熱性能，對翅高為15 mm、翅片長度150 mm、翅片厚度1 mm、翅片間距為1 mm、冷卻空氣迎面流速5.4 m/s，熱流密度2.7 W/cm2的鏟齒風(fēng)冷散熱器進行溫升試驗。試驗結(jié)果表明：散熱器功率元件安裝面的溫度為74.2℃，散熱器溫升44.8 K，冷卻空氣壓力損失為460 Pa，單位體積散熱量達到4 570 kW/m3。

3 結(jié)束語

通過上述試驗結(jié)果，可以得出如下結(jié)論。

（1）風(fēng)冷散熱器的冷卻能力按高低排序為：鏟齒風(fēng)冷散熱器、板翅風(fēng)冷散熱器、波紋風(fēng)冷散熱器、直齒風(fēng)冷散熱器。

（2）波紋風(fēng)冷散熱器和直齒風(fēng)冷散熱器中的散熱翅片溫差較大，對散熱器的冷卻能力產(chǎn)生較大的影響。

（3）自然風(fēng)冷散熱器，具有最佳翅片間距，可由試驗或理論計算而得。

（4）由于鏟齒風(fēng)冷散熱器的冷卻能力較強，可用于局部熱流密度較高的電子設(shè)備中。