基于流固耦合的大功率IGBT模塊散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高鳳良，黃雄峰 ，范虹興，張炫焜

（1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.國網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華 321017；4.國網(wǎng)重慶市電力公司黨校（培訓(xùn)中心），重慶 400053）

絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）同時(shí)具有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)[1-2]，在功率半導(dǎo)體器件中具有很高的商業(yè)價(jià)值。近年來，IGBT模塊在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如電動(dòng)汽車、艦船、高速火車、智能電網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和高壓直流輸電等[3-4]。當(dāng)IGBT模塊在高頻工況下作業(yè)時(shí)，產(chǎn)生的功率損耗增大，尤其當(dāng)設(shè)備電壓等級(jí)較高、功率較大時(shí)（MV·A級(jí)），會(huì)造成更高的溫升，研究表明，由于溫度引起功率器件的失效占將近六成[5]。在器件處于溫度較高的工況下，長期運(yùn)行過程中將要承受溫度和應(yīng)力的波動(dòng)，會(huì)對(duì)其壽命等造成影響，為保證器件能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，對(duì)設(shè)備的散熱系統(tǒng)也提出了更高的要求，水冷的散熱能力是強(qiáng)制風(fēng)冷的15～30倍[6]，與傳統(tǒng)的強(qiáng)制風(fēng)冷相比，水冷散熱更具優(yōu)勢。因此，對(duì)IGBT模塊進(jìn)行流場-溫度場耦合計(jì)算，研究IGBT功率模塊的散熱機(jī)理，可以為IGBT模塊散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)，對(duì)提高模塊工作時(shí)的安全性和可靠性具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)大功率IGBT模塊的散熱問題做了一些研究。如在電動(dòng)汽車中，IGBT模塊主要的散熱方式為液冷散熱，已被證明散熱效果較為明顯[7]；通過對(duì)散熱器散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增大傳熱面積，使流體盡可能多的帶走熱量，可以提高散熱效率[8-9]；用有限元仿真軟件分別對(duì)順排針柱散熱器和叉排針柱散熱器進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明叉排針柱散熱器對(duì)流體具有很好的擾流作用，散熱效果比順排針柱散熱器好[10]；通過對(duì)微通道進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)不同形狀的翅片，研究翅片形狀和排列間距對(duì)散熱效果的影響，結(jié)果表明三角形散熱器的翅片散熱效果最好[11]。以上文獻(xiàn)從不同角度對(duì)散熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)來改善散熱器散熱性能，但對(duì)IGBT模塊流場-溫度場數(shù)值計(jì)算方法研究較少。

本文通過對(duì)IGBT模塊水冷散熱進(jìn)行理論分析，提出基于流場-溫度場耦合的溫升計(jì)算方法，并利用有限元仿真軟件對(duì)IGBT模塊進(jìn)行流場-溫度場耦合計(jì)算；之后搭建溫升試驗(yàn)平臺(tái)測量模塊的結(jié)溫，對(duì)比分析仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果；最后改進(jìn)散熱器結(jié)構(gòu)，分析不同結(jié)構(gòu)下的散熱效率，為散熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 溫升計(jì)算方法

1.1 功率損耗計(jì)算方法

正常工作條件下，IGBT模塊的結(jié)溫主要來自內(nèi)部芯片功率損耗所產(chǎn)生的熱量，因此，要對(duì)IGBT模塊進(jìn)行流場-溫度場的耦合分析，需要準(zhǔn)確地計(jì)算模塊在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的功率損耗。

IGBT模塊開關(guān)頻率較高時(shí)，在開通、關(guān)斷過程中會(huì)產(chǎn)生能量損耗，稱為動(dòng)態(tài)功耗；在導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)下產(chǎn)生的功耗稱為靜態(tài)功耗[12]。IGBT模塊關(guān)斷狀態(tài)下，幾乎無電流流過，模塊的關(guān)態(tài)功耗為零。因此，IGBT模塊的總功率損耗P主要由通態(tài)功耗Pf和開關(guān)功耗Ps組成。通態(tài)功耗Pf為

式中：Uon為模塊開通時(shí)的導(dǎo)通壓降；Ion為流經(jīng)器件的電流。

開關(guān)功耗Ps與IGBT模塊開通和關(guān)斷過程中電流、電壓的大小有關(guān)，同時(shí)也受開通和關(guān)斷所用時(shí)間的影響[13]，其開、關(guān)功耗分別為

式中：Pson為開通功耗；Psoff為關(guān)斷功耗；u，i分別為模塊開關(guān)過程中瞬時(shí)電壓值和瞬時(shí)電流值；t0為初始時(shí)間；ton，toff分別為開通、關(guān)斷過程中所用時(shí)間。所以：

1.2 基于流場-溫度場耦合的溫升計(jì)算方法

1.2.1 熱傳遞理論

熱傳遞有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種傳遞方式[14]。在實(shí)際運(yùn)行過程中，IGBT模塊熱傳遞同時(shí)包含以上3種方式，但在對(duì)IGBT模塊進(jìn)行熱分析時(shí)可以忽略比較弱的熱傳遞現(xiàn)象[15]。

熱傳導(dǎo)是固體之間熱量傳遞的主要方式，IGBT模塊在運(yùn)行過程中，芯片內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱，熱量自上而下形成傳導(dǎo)通路，依次經(jīng)過上焊料層、上銅層、覆銅陶瓷基板（direct bonding copper，DBC）、下銅層、下焊料層和基板。對(duì)流傳熱是以流體為介質(zhì)，利用流體可流動(dòng)性和熱脹冷縮的特性傳遞熱量。為使IGBT模塊工作時(shí)結(jié)溫處于安全范圍內(nèi)，通常會(huì)在模塊基板下方安裝散熱器，來增強(qiáng)模塊和流體之間的熱量傳遞，降低模塊的整體溫度。采用強(qiáng)制對(duì)流能夠加快對(duì)流傳熱，使散熱效果更加明顯。一般情況下，IGBT模塊的極限工作溫度通常為150℃。研究表明，當(dāng)物體溫度超過500℃時(shí)，輻射傳熱才比較明顯，因此，在正常工況下IGBT模塊產(chǎn)生的熱輻射效應(yīng)可以忽略[16]。本文采用有限元數(shù)值模擬的方法分析含散熱結(jié)構(gòu)的IGBT模塊溫度場分布情況，根據(jù)以上熱傳導(dǎo)理論，含散熱結(jié)構(gòu)IGBT模塊的穩(wěn)態(tài)溫度場方程可以表示為

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)；x，y，z為坐標(biāo)軸方向；qv為熱源密度；α為對(duì)流散熱系數(shù)；為沿邊界法向的溫度變化率；T為材料溫度；Tf為流體溫度。

1.2.2 流體控制方程

不同流動(dòng)狀態(tài)下的流體對(duì)應(yīng)不同的控制方程，對(duì)冷卻液流動(dòng)狀態(tài)的判定是進(jìn)行水冷基板仿真模擬的第一步，冷卻液流動(dòng)狀態(tài)判定依據(jù)為雷諾數(shù)（Re）的大小，雷諾數(shù)的定義為

式中：ρ為冷卻液密度；u為入口流速；d為水流直徑；μ為冷卻液的動(dòng)力黏度。

本文IGBT模塊水冷散熱器冷卻液采用純 水，其密度為 996.52 kg·m-3，動(dòng)力黏度為0.000 895 kg·（m·s）-1，水冷散熱器的進(jìn)水口直徑為0.01 m，進(jìn)水口流速為1 m·s-1；水導(dǎo)熱系數(shù)為0.59 W·（m·K）-1，比熱容為4 186 J·（kg·K）-1。根據(jù)式（6）可以計(jì)算得到雷諾數(shù)Re=11 134，可以判定水冷基板內(nèi)水的流動(dòng)狀態(tài)為湍流。

IGBT模塊水冷系統(tǒng)中，冷卻水的流動(dòng)控制方程可表示如下。

1）冷卻水的質(zhì)量守恒方程。冷卻水的質(zhì)量守恒方程可以表示為

式中：ux，uy，uz為水在x，y，z方向上速度矢量u的分量。

2）冷卻水的動(dòng)量守恒方程。冷卻水的動(dòng)量守恒方程可以表示為

式中：t為時(shí)間；p為水微元體上的壓力。

3）流體湍流方程。文中設(shè)定冷卻水為不可壓縮流體，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型方程可以表示為

式中：t為時(shí)間；k為湍流動(dòng)能；ε為耗散率；μt為水的湍動(dòng)粘度；xi，xj為坐標(biāo)位置；i，j為下標(biāo)，i，j=x，y，z且i≠j；Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；σk，σε為普朗特?cái)?shù)；C1ε，C2ε為常量；u，v，w分別為x，y，z方向的速度分量。

2 IGBT模塊建模及求解

2.1 IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)

基于不同的封裝工藝，IGBT模塊主要分為焊接式和壓接式兩大類。焊接式IGBT封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，由下到上，IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)依次為散熱器、基板、下焊料層、DBC層（下銅層、陶瓷襯板、上銅層）、上焊料層、芯片、鍵合線，IGBT芯片和續(xù)流二極管（freewheeling diode，F(xiàn)WD）芯片通過鍵合線利用超聲焊接技術(shù)連接在一起；器件內(nèi)部與外殼之間的縫隙填充硅膠，可以緩解外部震動(dòng)對(duì)內(nèi)部器件的影響；對(duì)底板進(jìn)行特殊加工設(shè)計(jì)，使底板與散熱器表面結(jié)構(gòu)高度吻合，減小接觸面間隙，提高模塊的散熱能力。

圖1 焊接式IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of welded IGBT module

2.2 含散熱結(jié)構(gòu)的IGBT模塊的有限元模型

文中選取型號(hào)為5SNA 0800N330100焊接式IGBT模塊為研究原型，其額定電壓為3.3 kV，額定電流為800 A。IGBT模塊內(nèi)部分2個(gè)管，每個(gè)管由2個(gè)單元并聯(lián)而成，單元內(nèi)部包含4片IGBT芯片和2片F(xiàn)WD芯片，芯片下方通過焊料與上銅層焊接在一起；下銅層焊接在基板上，基板與芯片之間通過DBC陶瓷層絕緣隔離。

IGBT模塊為型號(hào)5SNA 0800N330100，水冷散熱器為400 mm×300 mm×40 mm的長方體結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際尺寸建立其等比例幾何模型，IGBT模塊仿真模型如圖2所示，散熱器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 IGBT模塊仿真模型Fig.2 Simulation model of IGBT module

圖3 水冷散熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of water-cooling radiator

考慮仿真計(jì)算復(fù)雜程度，對(duì)幾何模型進(jìn)行簡化。鍵合線對(duì)功率模塊溫度分布影響較小[17]，因此在建立有限元模型時(shí)可將其忽略。IGBT芯片為整個(gè)模塊的熱源，熱量經(jīng)焊料層向下傳遞，在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)芯片層、焊料層進(jìn)行精細(xì)網(wǎng)格劃分，對(duì)其他部分采用標(biāo)準(zhǔn)劃分尺寸。

由焊接式IGBT封裝結(jié)構(gòu)圖可知，模塊各層由不同的材料封裝而成，通過查閱相關(guān)資料來確定各層材料屬性，如表1所示。溫度對(duì)硅材料的導(dǎo)熱系數(shù)、熱容的影響較明顯，在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)需要考慮因溫度變化而引起的材料屬性的變化（具體函數(shù)關(guān)系見表1）。

表1 IGBT各層材料屬性Tab.1 Material properties of each layer of IGBT

2.3 IGBT模塊邊界條件

溫度場邊界條件：在仿真計(jì)算時(shí)，把芯片作為熱源，直接在芯片上加載功率損耗模擬芯片的發(fā)熱。當(dāng)器件處于長期導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，模塊總功率損耗將由IGBT芯片的通態(tài)損耗組成，通過功率損耗計(jì)算公式，計(jì)算出平均功率損耗為3.08 kW；環(huán)境溫度取25℃，散熱器表面與空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)為5 W·（m2·℃）-1。

流場邊界條件：假設(shè)散熱器中冷卻水為連續(xù)不可壓縮液體，其性質(zhì)為恒值，冷卻水與散熱器管道接觸邊界各處的流速均為零，出口邊界條件指定為充分發(fā)展流動(dòng)，進(jìn)水口水溫為25℃，水流速度設(shè)置為1 m·s-1。

3 仿真結(jié)果分析

對(duì)含散熱結(jié)構(gòu)IGBT模塊的流場溫度場的耦合計(jì)算后，經(jīng)有限元分析軟件后處理，可以得到含散熱結(jié)構(gòu)的IGBT模塊各部分溫度場分布的情況，求得的最終結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 含散熱結(jié)構(gòu)的IGBT模塊整體溫度分布Fig.4 Temperature distribution of IGBT module with heat dissipation structure

圖5 水冷散熱器溫度分布Fig.5 Temperature distribution of water-cooling radiator

圖6 散熱器流體溫度分布Fig.6 Temperature distribution of fluid in radiator

由圖4可知，IGBT芯片作為熱源，熱量從上往下、從中間向四周擴(kuò)散傳播；芯片的最高溫度為129.18℃，小于IGBT工作的極限溫度。

由圖5可知，熱源主要集中在中間區(qū)域，熱量向周圍擴(kuò)散，中間區(qū)域溫度最高為84.6℃。

由圖6可知，隨著水的流動(dòng)，水溫會(huì)逐漸升高，但流向出口時(shí)會(huì)略微降低，在熱源附近達(dá)到最高為43.9℃，出水口溫度為40.1℃。

4 IGBT模塊溫升試驗(yàn)

搭建的IGBT溫升測試平臺(tái)基本構(gòu)成如圖7所示，主要包括電源系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、溫度系數(shù)測試系統(tǒng)、監(jiān)測與控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。監(jiān)測與控制系統(tǒng)可以結(jié)合下位機(jī)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)間的通信和控制，以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，同時(shí)還能保證測試設(shè)備穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

圖7 IGBT模塊溫升測試平臺(tái)基本構(gòu)成Fig.7 Basic composition of IGBT module temperature rise test platform

由于IGBT芯片封裝在模塊內(nèi)部，直接測量其結(jié)溫難以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給IGBT模塊通入小電流時(shí)，其飽和壓降與結(jié)溫表現(xiàn)出一定的規(guī)律，兩者之間呈線性關(guān)系[18]，關(guān)系圖如圖8所示。因此，溫升測試中結(jié)溫的測量可采用小電流下飽和壓降法進(jìn)行推導(dǎo)[19]。

圖8 小電流測量下IGBT導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系圖Fig.8 Relationship between IGBT turn-on voltage drop and temperature under low current measurement

在進(jìn)行溫度系數(shù)測試時(shí)，隨機(jī)選擇兩個(gè)IGBT模塊放入恒溫箱內(nèi)，測量電流取100 mA，測試溫度從30～150℃每隔20℃，保持45分鐘，測量不同結(jié)溫、小電流下的UCE的值，得出結(jié)溫與UCE兩者的關(guān)系式。經(jīng)過多次測量取平均值，計(jì)算后溫度系數(shù)為-2.28 mV/℃，結(jié)溫壓降關(guān)系式截距為0.512 79。

計(jì)算出結(jié)溫與導(dǎo)通壓降關(guān)系式之后，將IGBT模塊安裝在溫升測試系統(tǒng)中的試驗(yàn)工位上，如圖9所示，并在上位機(jī)中設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，具體數(shù)值為：加熱時(shí)間30 s，冷卻時(shí)間30 s，測試電流100 mA，環(huán)境溫度25℃，溫度系數(shù)-2.28 mV/℃，UGE=15 V。然后開始溫升測試。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，選取室溫下的純水為冷卻介質(zhì)，在兩種不同的工況下進(jìn)行溫升測試實(shí)驗(yàn)。工況①：不同電流梯度下IGBT模塊溫度測試。實(shí)驗(yàn)時(shí)加載電流設(shè)定范圍為100～800 A，電流變化梯度為100 A；進(jìn)水口流速為1 m/s，水溫為25℃。工況②：不同進(jìn)水口流速下IGBT模塊溫度測試。實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定電流為800 A，進(jìn)水口流速的范圍為1～2 m/s，進(jìn)水口流速變化梯度為0.2 m/s，水溫為25℃。以上實(shí)驗(yàn)中，每組數(shù)據(jù)測試10次取平均值。

5 仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

IGBT模塊溫度測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖10和圖11所示。由圖10可以看出，隨著電流的增大，仿真溫度和實(shí)驗(yàn)溫度的差值越來越大，但不同電流下的IGBT模塊實(shí)驗(yàn)結(jié)溫與仿真結(jié)溫的誤差為5%左右，屬于正常誤差范圍，實(shí)驗(yàn)結(jié)溫與仿真結(jié)溫相比較高；由圖11可以看出，不同進(jìn)水口流速下的IGBT模塊實(shí)驗(yàn)結(jié)溫與仿真結(jié)溫的誤差為4%左右，且進(jìn)水口流速越大，IGBT模塊結(jié)溫越低，散熱器散熱效果更明顯。

圖10 不同電流梯度下IGBT模塊溫度Fig.10 IGBT module temperature under different current gradients

圖11 不同進(jìn)水口流速IGBT模塊溫度Fig.11 IGBT module temperature under different water inlet flow rate

6 散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

散熱器管道結(jié)構(gòu)的不同將會(huì)直接影響流體在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，會(huì)改變流體流速的大小和速度場分布，進(jìn)而對(duì)散熱器的散熱效果產(chǎn)生影響。因此，對(duì)管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高散熱效率。在保證管道截面積不變的條件下，將圓形管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成長方形結(jié)構(gòu)并對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行流場-溫度場耦合計(jì)算，從結(jié)果中讀取IGBT模塊的最高結(jié)溫為125.77℃，雖小于圓形結(jié)構(gòu)的129.18℃，但效果提升并不明顯。因此，進(jìn)一步對(duì)長方形管道做了兩種不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，一種是把管道截面由長方形改成凹凸形；另一種是在管道兩側(cè)增加擾流擋板，優(yōu)化后的管道結(jié)構(gòu)如圖12所示。在對(duì)散熱器管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，為了能夠準(zhǔn)確地分析不同管道結(jié)構(gòu)對(duì)IGBT模塊溫度場分布的影響，需要保持管道結(jié)構(gòu)的長度和截面積不變。設(shè)計(jì)完成后，基于不同的管道結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)IGBT模塊進(jìn)行耦合場數(shù)值計(jì)算，其他條件不改變，得出不同進(jìn)水口流速下IGBT模塊最高結(jié)溫如圖13所示。

圖12 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的管道結(jié)構(gòu)Fig.12 Optimized design of pipeline structure

圖13 各管道結(jié)構(gòu)不同進(jìn)水口流速IGBT模塊溫度Fig.13 The temperature of the IGBT module with different inlet flow rate for each pipeline structure

由圖13可以看出，在進(jìn)水口流速為1 m/s時(shí)，凹凸形結(jié)構(gòu)和擾流結(jié)構(gòu)下IGBT模塊的最高結(jié)溫分別為118.46℃和121.48℃，說明經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的散熱器散熱效率提升明顯；隨著進(jìn)水口流速的增加，IGBT模塊的最高結(jié)溫會(huì)隨之降低，但當(dāng)流速大于3.5 m/s時(shí)，散熱效果提升并不明顯，考慮實(shí)際使用成本，最佳進(jìn)水口流速應(yīng)在3.5 m/s左右。

7 結(jié)論

通過對(duì)含散熱結(jié)構(gòu)IGBT模塊的流場溫度場的耦合計(jì)算和溫升測試，可以得出以下結(jié)論：

1）采用有限元仿真軟件對(duì)含散熱結(jié)構(gòu)的IGBT模塊進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，仿真結(jié)果能夠直觀體現(xiàn)流體流動(dòng)的情況和溫度分布情況，可以為散熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2）基于耦合場數(shù)值計(jì)算的結(jié)果能夠說明流體可以帶走大功率電子器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，讓器件工作時(shí)的結(jié)溫處于允許范圍內(nèi)。采用水冷散熱器能夠提高器件的可靠性和安全性，且進(jìn)水口流速越大，散熱效果愈加明顯。

3）由仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，溫度變化基本一致，其誤差在正常范圍內(nèi)，驗(yàn)證了理論分析和仿真計(jì)算的正確性。

4）水冷散熱器主要是通過對(duì)流換熱來實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率電子器件的散熱，換熱面的傳熱面積和形狀以及流體介質(zhì)和流動(dòng)情況是影響對(duì)流換熱的主要因素。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)散熱器結(jié)構(gòu)時(shí)可以考慮增大傳熱面積、改進(jìn)換熱面形狀和增強(qiáng)擾流強(qiáng)度，如散熱管道可以采用叉排結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)散熱效果。