一種IGBT 接觸熱阻的估算方法

王淑旺，胡俊明，趙衛(wèi)健，孫純哲

(1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥230009;2.安徽巨一自動(dòng)化裝備有限公司，合肥230009)

0 引 言

隨著能源危機(jī)的加劇和環(huán)境壓力的增加，高效節(jié)能的電動(dòng)汽車已成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)［1］。在純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn)，電機(jī)控制器的關(guān)鍵模塊IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)由于內(nèi)部元器件集成度高，從而在工作時(shí)耗散功率大、發(fā)熱高，在極端情況下容易燒毀［2］，嚴(yán)重影響到了控制器的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)IGBT 模塊成本居高不下，成為目前產(chǎn)品的一個(gè)瓶頸，因此改善控制器的散熱性能成為設(shè)計(jì)人員必須重點(diǎn)關(guān)注和亟待解決的問(wèn)題。

由于傳統(tǒng)理論分析方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，基于CFD(Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))軟件，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力對(duì)特定空間內(nèi)的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算成為當(dāng)前研究傳熱問(wèn)題的趨勢(shì)［3］。而在對(duì)控制器進(jìn)行熱仿真與優(yōu)化之前，需建立準(zhǔn)確的熱仿真模型，其中接觸面導(dǎo)熱硅脂涂層熱特性不確定，需對(duì)其熱阻進(jìn)行估算。接觸熱阻與接觸面的表面粗糙度、兩表面間的壓力、接觸面的硬度等因素有關(guān)。文獻(xiàn)［4］給出了平板接觸面的接觸熱阻計(jì)算公式，文獻(xiàn)［5］給出了在無(wú)壓力情況下兩接觸表面間接觸熱阻的近似計(jì)算方法，吳登倍等人對(duì)接觸熱阻進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬［6］。本文通過(guò)FLUENT 軟件采用黑匣子逼近試算的熱仿真分析方法來(lái)確定接觸面的接觸熱阻，最終得到了合理值。

1 研究對(duì)象及研究方法

本文基于某型電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制器散熱器采用壓合式散熱器。在額定工況(3 000 r/min、60 N·m)下，控制器的主要熱源為IGBT 模塊，其耗散功率約為650 W。為此使用風(fēng)扇強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式。

考慮到IGBT 本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，及接觸面導(dǎo)熱硅脂涂層熱特性的不確定性，故本電機(jī)控制器IGBT熱仿真模型采用“黑匣子”模型，具體如圖1所示。即在IGBT 與散熱器之間布置一平板，并假設(shè)其厚度為5 mm，導(dǎo)熱系數(shù)待求。

圖1 “黑匣子”熱仿真模型

在熱仿真過(guò)程中，通過(guò)對(duì)黑匣子的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行一定范圍內(nèi)的逼近試算法模擬分析，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，尋找合適的黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)。

2 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證依據(jù)的確定

電機(jī)控制器溫度的實(shí)測(cè)結(jié)果包括埋藏在IGBT內(nèi)部熱源附近的NTC 測(cè)點(diǎn)溫度、散熱器底板局部測(cè)點(diǎn)溫度和散熱器外側(cè)布置的局部測(cè)點(diǎn)溫度。

根據(jù)IGBT 的結(jié)溫Tj計(jì)算方法［7］，亦NTC 測(cè)量的溫度Tt大約比散熱器溫度高10℃，即:

式中:Tt為NTC 測(cè)量的溫度，℃;Tj為IGBT 的結(jié)溫，℃;Pmax為IGBT 的散熱功率，W;Rthjc為IGBT 模塊的結(jié)殼熱阻，℃/W。

按照額定工況下壓合散熱器散熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Tt=45℃，Pmax=650 W，根據(jù)IGBT 特性查詢，Rthjc=0.12 ℃/W，故:Tj=113℃。

考慮到電機(jī)控制器的IGBT 及散熱器布置的非對(duì)稱性，對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度值及通過(guò)計(jì)算獲得的結(jié)溫Tj，在熱仿真逼近試算過(guò)程中，采取結(jié)溫為主要對(duì)比依據(jù)數(shù)據(jù)，散熱器其余溫度為輔助對(duì)比數(shù)據(jù)。

圖2 為壓合散熱器實(shí)驗(yàn)測(cè)量的IGBT 溫度Tigbt和散熱器底板測(cè)點(diǎn)溫度Tsink，以及計(jì)算獲得的結(jié)點(diǎn)溫度Tj。本次逼近試算過(guò)程中以實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后的結(jié)點(diǎn)溫度Tj(113℃)為主要判斷依據(jù)，以散熱器底板測(cè)點(diǎn)溫度Tsink(31℃)為輔助判斷依據(jù)進(jìn)行判斷。

圖2 壓合散熱器實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度

3 熱仿真分析過(guò)程

3.1 仿真模型的建立

采用在FLUENT 中建模的方法，散熱器的材料為鋁合金6063－T5。具體尺寸:外部尺寸(L ×W×H)240 mm×230 mm×100 mm，基座板厚度21 mm，散熱片厚度1 mm、片數(shù)36 片、間距5. 5 mm，頂部板厚度10 mm。風(fēng)扇的特性參數(shù)為風(fēng)量138 m3/h。所建立的模型如圖3 所示。

圖3 電機(jī)控制器熱設(shè)計(jì)物理模型

3.2 黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)的逼近試算過(guò)程

逼近試算的過(guò)程是對(duì)黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)不斷進(jìn)行修正的過(guò)程。其流程圖如圖4 所示。

圖4 流程圖

當(dāng)黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)取100 W/(m·K)時(shí)，熱仿真得到的熱源溫度最高值為65.9℃，如圖5(a)所示，明顯小于通過(guò)計(jì)算得到的IGBT 結(jié)溫。為了升高熱仿真得到的熱源溫度最高值，需降低黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)。

當(dāng)黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)取50 W/(m·K)時(shí)，熱仿真得到的熱源溫度最高值為82.7℃，如圖5(b)所示，也小于通過(guò)計(jì)算得到的IGBT 結(jié)溫。為了升高熱仿真得到的熱源溫度最高值，仍需降低黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)。

當(dāng)黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)取30 W/(m·K)時(shí)，熱仿真得到的熱源溫度最高值為104.5℃，如圖5(c)所示，與計(jì)算得到的IGBT 結(jié)溫相差8.5℃。

最終，取黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)為26 W/(m·K)時(shí)，熱仿真得到的熱源溫度最高值為113.3℃，如圖5(d)所示，與實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到的IGBT 結(jié)溫相差0.3℃。

圖5 不同黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)的結(jié)點(diǎn)溫度

至此，可以認(rèn)為獲得了合適的黑匣子模型的黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)，取值26 W/(m·K)。

另外，當(dāng)黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)取26 W/(m·K)時(shí)，散熱器基座板溫度分布如圖6(a)所示，與實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)溫度為33.1℃，該值與實(shí)際散熱器底板測(cè)點(diǎn)溫度31℃相差2.1℃，誤差為6.7%?？紤]到其是次要判斷依據(jù)，可以認(rèn)為滿足要求。

同時(shí)，散熱器側(cè)板溫度分布如圖6(b)所示，其底板側(cè)壁溫度28.3℃，散熱片測(cè)點(diǎn)溫度23.1℃，該兩個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果依次為31℃、22℃，基本吻合。

圖6 黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)取26 W/(m·K)時(shí)散熱器溫度分布

綜上，通過(guò)一系列黑匣子逼近試算，可確定黑匣子的導(dǎo)熱系數(shù)取26 W/(m·K)較為合適。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)電機(jī)控制器的大功率電子模塊IGBT模塊，研究了其與散熱器之間的接觸熱阻問(wèn)題，通過(guò)建立黑匣子模型，實(shí)驗(yàn)與仿真值對(duì)比不斷逼近試算的方法，最終得出了黑匣子合適的導(dǎo)熱系數(shù)，并仿真驗(yàn)證了數(shù)值的合理性。由此明確了電機(jī)控制器的熱仿真模型的關(guān)鍵因素，方便了進(jìn)一步的散熱分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

［1］ 陳清泉，孫逢春，祝嘉光. 現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)［M］. 北京:北京理工大學(xué)出版社，2002.

［2］ 劉煥玲，邵曉東，賈建援，等.計(jì)算機(jī)芯片的散熱研究［J］.電子機(jī)械工程，2005，21(3):15－17.

［3］ 李貴.滑移裝載機(jī)動(dòng)力艙熱仿真與熱分析［D］. 南京:東南大學(xué)，2010.

［4］ 沈軍，馬駿，劉偉強(qiáng).一種接觸熱阻的數(shù)值計(jì)算方法［J］. 上海航天，2002(4):33－36.

［5］ AL－ASTRABADI F R，O＇CALLAGHAH P W，PROBERT S D.Effects of surface finish on thermal contact resistance between different Materials［C］//AIAA 14th Thermophysics Conference，Orlando，US.1979:1065.

［6］ 吳登倍.接觸熱阻實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬［D］.北京:北京交通大學(xué)，2011.

［7］ Infineon Technologies. Calculation of Major IGBT Operating Parameters［R］.Infineon Application Notes，1999.