基于Icepak的IGBT模塊水冷散熱特性仿真分析

石建光，張永亮，吳文杰

（1.200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；2.201815 上海市 上海鑫國(guó)動(dòng)力科技有限公司）

0 引言

IGBT 模塊集成度越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)越來(lái)越緊湊，熱流密度也隨之變高，局部過(guò)高的熱流密度必然帶來(lái)大量發(fā)熱。根據(jù)相關(guān)研究，工作溫度增加10 ℃，電子元件失效率增大1 倍[1-2]，因此，溫度控制對(duì)IGBT 模塊使用壽命和可靠性都有非常重要的影響。

IGBT 散熱器主要的散熱形式分為風(fēng)冷散熱和水冷散熱。風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制作成本低，但是散熱效率不高。水冷散熱器因?yàn)樯嵝阅軆?yōu)良的特點(diǎn)使用越來(lái)越廣泛[3]。本文以某型號(hào)IGBT 水冷散熱器為研究對(duì)象，通過(guò)ANSYS Icepak 對(duì)不同肋片數(shù)目、厚度和結(jié)構(gòu)形式的散熱器仿真，分析得到了肋片各參數(shù)對(duì)散熱性能影響規(guī)律，為后續(xù)散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。

1 IGBT 水冷散熱器傳熱分析

本文研究的某型號(hào)采用水冷散熱的電機(jī)控制器，控制器殼體底部裝配一個(gè)水冷板。水冷板上方裝有3 個(gè)IGBT 封裝模塊。水冷板采用的是肋片結(jié)構(gòu)，控制器實(shí)體模型如圖1 所示。

圖1 控制器結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Controller structure model

熱傳遞主要存在3 種基本形式：熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流[4]。如圖2 所示，IGBT 芯片通過(guò)導(dǎo)熱硅脂與基板貼緊，基板與散熱器相連，IGBT芯片產(chǎn)生的大量熱量依次通過(guò)導(dǎo)熱硅脂與基板傳輸?shù)缴崞鲀?nèi)部，期間熱輻射可以忽略不計(jì)。本文所研究的IGBT 模塊散熱器是通過(guò)強(qiáng)迫式水冷進(jìn)行散熱，所以對(duì)流只考慮冷卻液的換熱，忽略空氣對(duì)流換熱[5]。

圖2 傳熱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Heat transfer structure diagram

2 傳熱理論計(jì)算

2.1 IGBT 熱損耗計(jì)算

對(duì)于IGBT 模塊，主要考慮來(lái)自于IGBT 芯片的損耗。IGBT 熱損耗組成如圖3 所示。

圖3 IGBT 芯片損耗組成Fig.3 IGBT chip loss composition

通態(tài)損耗Pcond-IGBT計(jì)算如式（1）：

式中：VCEO——門(mén)檻電壓，也叫做初始導(dǎo)通電壓，；r——通態(tài)電阻；m——調(diào)制比；cosφ——功率因數(shù)。

開(kāi)關(guān)損耗Psw-IGBT計(jì)算如式（2）：

式中：fsw-IGBT——IGBT 開(kāi)關(guān)頻率；Eon，Eoff——IGBT 標(biāo)定開(kāi)關(guān)損耗；Vdc——直流母線電壓；in——實(shí)際電流；Inom，Vnom——標(biāo)稱(chēng)電流、電壓。

如圖3 所示的IGBT 芯片損耗圖和上述理論計(jì)算，可得IGBT 總損耗

2.2 熱阻模型

根據(jù)熱阻原理，可得熱阻等效電路，如圖4所示。根據(jù)圖4，由冷卻液溫度和IGBT 熱損耗，可以推出IGBT模塊的最高溫度TIGBT-max，如式（4）。

圖4 IGBT 熱阻等效電路圖Fig.4 IGBT thermal resistance equivalent circuit diagram

式中：Tj——IGBT 結(jié)溫；Ta——冷卻液溫度；Ts——散熱水冷板殼體溫度[6]。

3 熱仿真與影響因素分析

3.1 簡(jiǎn)化模型與仿真

根據(jù)研究的電機(jī)控制器實(shí)際模型，將IGBT模塊水冷器單獨(dú)分離出來(lái)進(jìn)行研究。為了減少不必需的仿真計(jì)算工作量，可以利用Workbench 中的SCDM 軟件將IGBT 散熱器中倒角、螺絲和空位等去掉，這些特征對(duì)散熱器散熱性能無(wú)影響，只保留散熱器的主體特征信息。這樣能夠在保證仿真結(jié)果準(zhǔn)確的同時(shí)，做到盡可能簡(jiǎn)化散熱器模型，減少網(wǎng)格的數(shù)量，加快計(jì)算速度。將散熱器簡(jiǎn)化模型由有限元軟件Icepak 導(dǎo)入，對(duì)其劃分網(wǎng)格。根據(jù)資料計(jì)算出熱損耗值，忽略重力作用和輻射換熱。采用Icepak中l(wèi)iquid-water作為冷卻液，初始進(jìn)水口溫度為25 ℃，設(shè)置為湍流，流量設(shè)置為固定15 L/min。

圖5 散熱器結(jié)構(gòu)（正弦波紋肋片）簡(jiǎn)化示意圖Fig.5 Simplified schematic diagram of radiator structure (sine wave rib)

3.2 肋片結(jié)構(gòu)形式影響分析

本文研究的3 種肋片結(jié)構(gòu)形式分別是平直形、正弦波紋形、三角波紋形。肋片結(jié)構(gòu)形式如圖6 所示。

圖6 3 種不同肋片結(jié)構(gòu)Fig.6 Three different rib structures

設(shè)置肋片厚度為2 mm，肋片數(shù)目為18 條，進(jìn)水口溫度25 ℃，流速為15 L/min，除肋片的結(jié)構(gòu)形式外，其他邊界條件均相同。分別對(duì)這3種肋片結(jié)構(gòu)形式的幾何模型進(jìn)行仿真，其溫度云圖分別如圖7—圖9 所示。

圖7 正弦波紋肋片溫度云圖Fig.7 Temperature nephogram of sinusoidal corrugated fin

圖8 三角波紋肋片溫度云圖Fig.8 Temperature nephogram of triangular corrugated fin

圖9 平直肋片溫度云圖Fig.9 Temperature nephogram of flat fin

通過(guò)仿真可以看到，在同等邊界條件下，正弦波紋肋片的散熱效果最好，三角波紋肋片次之，平直形肋片最差。原因是肋片在保證相同長(zhǎng)度的前提下，波紋肋片的“褶皺”會(huì)增大對(duì)流換熱面積，而且會(huì)在肋片間產(chǎn)生細(xì)小渦旋，提高了紊流度，從而增強(qiáng)了散熱效果，而三角形波紋肋片面積增加比較小，但是對(duì)壓降影響小，制造比較容易，適合小流量散熱場(chǎng)景。

3.3 肋片數(shù)目的影響

由于控制器的空間約束，設(shè)置肋片數(shù)目從12～30 條進(jìn)行仿真，肋片結(jié)構(gòu)為正弦波紋肋片，肋片厚度設(shè)置為2 mm，進(jìn)水口流量為15 L/min。得到的肋片間距與IGBT 最高溫度的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。表中數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)肋片數(shù)目增加時(shí)，IGBT 最高溫度隨之降低，原因是肋片數(shù)目減小，對(duì)流換熱面積隨之增大，從而提升了散熱性能。但是，過(guò)多的肋片數(shù)目會(huì)增大壓降，在進(jìn)水口流量不變的情況下流速降低，反過(guò)來(lái)又會(huì)減弱散熱效果，因此增加肋片數(shù)目要在滿足壓降要求下進(jìn)行。

表1 各肋片數(shù)目對(duì)應(yīng)IGBT 最高溫度Tab.1 The number of fins corresponding to TIGBT-max

由表1 知，當(dāng)肋片數(shù)目從12 增加到30 時(shí)，IGBT 最高溫度從52.66 ℃到50.25 ℃，散熱性能提升4.6%。分析是因?yàn)槔咂瑪?shù)目增多，增大了對(duì)流換熱面積，對(duì)流換熱系數(shù)增大，從而提升了散熱性能。但肋片數(shù)目從24 到30 條，IGBT 最高溫度下降趨勢(shì)有所減弱，散熱性能只提高1%，但是壓降提升幅度很大，對(duì)水泵要求很高。因?yàn)檫^(guò)多的肋片數(shù)目會(huì)增大壓降，在進(jìn)水口流量不變的情況下流速會(huì)降低，反過(guò)來(lái)又會(huì)減弱散熱效果，因此，增加肋片數(shù)目要在滿足壓降要求下進(jìn)行。

3.4 肋片厚度影響

取肋片厚度1～2.5 m，肋片數(shù)目為18 條，肋片結(jié)構(gòu)取正弦波紋形肋片，冷卻液溫度為25 ℃，其他仿真邊界條件相同。將幾何模型導(dǎo)入ANSYS Icepak 仿真得到表2 數(shù)據(jù)。

表2 不同肋片厚度對(duì)應(yīng)的IGBT 最高溫度Tab.2 Different fin thickness corresponding to TIGBT-max

根據(jù)表2 仿真數(shù)據(jù)顯示，隨著肋片厚度的增加，TIGBT-max越來(lái)越小。這是因?yàn)樵黾永咂穸群?，IGBT 模塊和肋片之間的熱阻減小。此外，在肋片數(shù)目不變的情況下，通過(guò)增加肋片厚度，減小了肋片間距，冷卻液通道截面積減小，從而提高了肋片間冷卻液流速，提高了換熱性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)肋片結(jié)構(gòu)形式、數(shù)目、厚度3 種因素對(duì)IGBT 散熱器冷卻性能進(jìn)行探討，用ANSYS軟件建模進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了肋片結(jié)構(gòu)形式、數(shù)目、厚度對(duì)IGBT 模塊最高溫度的作用規(guī)律，解決了IGBT 模塊高熱流密度散熱的問(wèn)題，滿足了IGBT 模塊散熱性能要求，從而保證電機(jī)控制器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。