大功率半導體組件的散熱系統設計

周靖　侯錚　周方圓　文韜

摘要：文章介紹了一種在工程中比較實用的大功率半導體組件的系統設計計算方法，利用散熱系統熱阻等效電路求出散熱器熱阻，進而設計出符合高電壓、大電流的水風冷卻、水電隔離的散熱冷卻系統，最后通過ANSYS對該散熱系統進行了散熱仿真及試驗驗證，為處于封閉空間的高電壓、大電流變流器提供可借鑒的散熱系統解決方案。

關鍵詞：風水冷換熱方式；水電隔離；散熱系統；大功率半導體組件；散熱冷卻系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：U665 文章編號：1009-2374（2017）11-0035-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.018

隨著電力電子技術的快速發展，其應用的范圍越來越廣泛，電力電子裝置（如艦載電源、電力機車等）的功率密度越來越大、變流器的容量和損耗也隨之增大，對半導體組件的可靠性要求也越來越高。采取一定的散熱措施，半導體的管芯問題在允許的范圍內，器件不易損壞，因此散熱系統設計的合理性將直接影響大功率電力電子裝置工作的穩定性，特別是對于某些高功率密度、應用環境受限等特殊應用場合，充分考慮半導體組件的熱損耗，設計有效的散熱系統，把熱源的熱量能順利及時的排放出去，使電力電子器件的結溫控制在允許范圍內顯得更為重要。本文將以高功率密度、封閉應用環境的半導體組件散熱系統設計為例進行說明。

1 散熱系統的具體設計

該半導體組件通常在高壓艦載電源系統中使用，要求半導體組件產生的熱量不影響電源系統的環境溫升，當環境初始溫度為55℃時，溫升要求控制在25～32K。本半導體組件需要安裝在長、寬、高分別為520mm、255mm、245mm的機箱中，最大損耗為763W，其熱流密度為0.93W/cm2。

目前，電子設備的散熱方式主要有：水冷、強迫風冷和自然對流等散熱；其中的自然對流散熱方式主要適用于熱密度<0.05W/cm2的情況，由于強迫對流散熱能夠使表面傳熱系數約提升一個數量級，因此當熱流密度>1W/cm2的情況下，一般風冷散熱方式作用甚微。

因為該半導體組件通常應用于高壓艦載電源系統，其自身損耗所產生的熱量不會對電源系統的環境溫度造成影響，所以按照該半導體組件的熱流密度和溫升標準，決定對該散熱系統采用散熱器與強風冷相結合的散熱方式，即將半導體組件安裝于一個四周封閉的機箱中，在機箱的一端安裝抽風機，另一端開適當數量的孔，在組件與抽風機之間安裝水風換熱器。由于組件與水風換熱器間留有一定的空氣間隙，從而形成了絕緣距離，不但有效實現了水電分離，而且避免了大電流對冷卻介質造成電解。采用水電隔離設置，不但能夠確保即使在漏水的情況下也不會發生漏電或者放電現象，而且會對水質的要求顯著降低（普通的自來水和海水均能夠作為冷卻水進行使用），所以其具有維護簡便、可靠性高等優點。

該散熱系統的熱流路徑為：半導體上產生的熱量傳到散熱器并由散熱器傳到空氣中，被加熱的空氣流經水風換熱器，并通過軸流風機抽出（軸流風機所抽出的空氣實際已通過了水風換熱器的冷卻），由此可見，半導體組件所產生的熱量基本不會影響電源系統周圍的環境溫度。

強迫風冷分為鼓風、抽風兩種冷卻形式，鼓風冷卻的風壓大，風量集中，通常用在單元內熱量分布不勻稱，風阻較大情況，而抽風冷卻多用于熱量相對分散的整機機箱條件下，熱量是通過風道抽送走的，其最大的特點就是風量大而風壓小。因為半導體上面的熱量基本上分散在鋁型材散熱器的各部件上，當抽風冷卻時，通過散熱器各部件的風量較為適中，從而使散熱器能夠得到充分冷卻，所以選擇使用水電隔離的水風冷卻方式。

1.1 散熱器的設計和計算

半導體所產生的熱量一般是按照以下途徑傳遞的：內部散熱→組件外殼→散熱器上→空氣中。以強制風冷為主，傳熱遵守熱路歐母定律：

式中：

ΔT——熱路始末溫度差，℃

P——損耗，W

Rth——傳熱過程熱阻，℃/W

半導體組件在傳熱的過程中，其熱阻是由以下部分組成的：一是半導體中的PN結與外殼間的傳遞熱阻，簡稱Rjc；二是半導體外殼與散熱器間的接觸熱阻，簡稱Rcs；三是散熱器向空氣中傳遞形成的熱阻，簡稱Rsa。

其總熱阻為：

式中：

Ptot——半導體總損耗

Ta——環境溫度

Tj——半導體允許結溫

則散熱器熱阻為：

式中：

Tj——半導體PN結允許溫度，取125℃溫度

Ta——散熱器表面溫度，單位℃

Rjc——PN結到半導體外殼接殼熱阻，單位為℃/W

Rcs——半導體外殼到散熱器接觸熱阻，單位為℃/W

Rsa——散熱器傳遞到空氣中的換熱熱阻，單位為℃/W

半導體的最高允許結溫通常與硅半導體的摻雜濃度和工藝水平等關系密切，普通功率的半導體結溫≤200℃，由于半導體芯片的面積大、溫度分布不均，因此當器件遇到過載、浪涌和結構問題時，芯片就會出現過熱，甚至導致局部穿孔問題的發生，所以考慮上述因素，半導體器件的最高工作結溫一般應控制在125℃～135℃。

在進行散熱器設計的過程中，需要對半導體的結構、散熱功率和加工工藝等因素進行綜合分析，主要需要注意以下事項：一是增加肋片的高度實際等于增大了散熱器的散熱面積，從而提高了散熱能力，然而當肋片高度增加到一定程度時，散熱量將不會繼續增加，相反，若肋片高度繼續增加，則散熱量不增反減；二是散熱器的肋片越薄說明散熱性能越好，然而若太薄又會對加工工藝提出更高的難度；三是挑選導熱系數較高的型材，能夠顯著降低散熱器的熱阻。因鋁的導熱系數高且重量輕，使其成為最常用的散熱材料；四是對散熱器表面經過氧化和噴砂處理，能夠在很大程度上改善熱輻射的性能。特別是當散熱器表面溫度與環境溫度差距達到50℃的情況下，經過氧化的散熱器熱阻能夠有效降低15%左右。此外，因該半導體組件是通過雙面進行散熱，所以只有散熱器和半導體間達到一定程度的壓裝力，才能夠使散熱器和半導體接觸位置的熱阻減小。另外，散熱器和半導體接觸面的光滑度也會減少接觸熱阻。通過對以上因素的權衡，該散熱器選擇了鋁材作為原材料，散熱器的肋片被設計成高低不同的樣式，且為了滿足散熱器壓裝強度需要，散熱器被設計成了很厚的基板。

1.2 板翅水風換熱器設計

半導體組件工作時經散熱器加熱的熱空氣采用水風換熱器冷卻，冷卻后的空氣不會對電源系統的環境溫度產生影響，其優點是：水電的有效隔離不但對冷卻水的水質要求顯著降低，而且不會因半導體通電而導致電腐蝕現象的發生。此水風換換熱器由兩塊平板中夾著一塊波紋形狀的導熱翅片，流體就從波紋形狀的導熱翅片中流過，兩層這樣的基本換熱單元焊接在一起，并使兩流道相互交錯，供冷熱流體換熱，此水風換熱器是由許多層這樣的換熱單元疊合而成，作為水風換熱器，傳熱系數可達到達350W/（m2·K）。

換熱器的傳熱計算有兩種方法：平均溫差法（LMDT法）和效能-傳熱單元數法（ε-NTU法）。本文是利用平均溫差法進行計算。平均溫差法主要依據的是傳熱公式Φ=kAΔtm，在設計換熱器的過程中，需要按照要求首先確定換熱器的形式，然后利用給定的換熱量以及冷熱流體中的進出口三個溫度，根據熱平衡定律，計算出冷流體或者熱流體的出口溫度，同時計算出平均的溫度差，接著利用傳熱公式計算出換熱面積，即F=1.01m2，在實際的應用中，采用了平直形狀的板翅水冷散熱器肋片，其參數為：高度為9.5mm，厚度為0.2mm，間距為2mm，單位寬通截面S2=8.37m2，單位傳熱面積S1=11.1m2，若量直徑為3.016mm時，則肋面積和傳熱面積的比將會是：Af/A=0.838，換熱器的肋片總共設計有18行，每行18片，每片的長度為174mm，深度為60mm，由此可計算出其總換熱面積應是A=BLS1=2.859m2，其明顯高于理論傳熱公式計算出的面積1.01m2，散熱滿足系統要求。

1.3 抽風機的選擇

此散熱系統中抽風機的通風量由下式計算：

式中：

qf——通風量，單位為m3/s

——空氣的密度，單位為kg/m3

Cp——空氣的比熱，單位為J/kg·℃

Φ——總損耗功率，單位為W

Δt——冷卻空氣的進出口溫差，單位為℃，Δt大部分取10℃左右

取Δt=5℃，計算得抽風機的風量約450m3/s，由于該半導體組件周圍的風道材料具有絕熱和絕緣的性能，因此在風量的計算過程中可忽略半導體組件對大氣的輻射和對流的影響。

2 散熱系統的仿真分析

該例借助相關技術對散熱系統進行了仿真，以下屬于仿真的結果：

第一，將環境最高溫度設置為55℃，然后向外進行抽風，這時半導體器件的功率為763W，半導體兩端增加兩個接觸熱阻0.0025℃/W。這時在半導體中心位置出現的最高溫度為84.75℃，因為在仿真環境下會忽略水冷換熱器對散熱系統產生的影響作用，特別是利用Icepak分析軟件時，兩種流態數據信息的計算量非常大。而本文只是對水冷換熱器進行了計算分析，并確定了水冷換熱器的換熱面積和風阻大小，以此作為風機選型的主要依據。

第二，環溫：55℃，風機向內吹風，半導體功率：763W，在半導體兩端加兩個接觸熱阻0.0025℃/W，最高溫度出現在半導體中心，最高溫度85.72℃。

通過仿真從半導體組件的表面溫度分布和速度矢量分布圖能夠發現，利用風機抽風式進行散熱，具有更加理想的效果，并使最高溫度出現了明顯的下降。由于抽風機在抽風的過程中，每一個部分的風量都較均勻，從而使散熱器能夠得到充分的冷卻，所以最后選擇了散熱器與抽風冷卻相結合的散熱方式。

另外，還對不同風速條件下的半導體組件的散熱情況進行了仿真。其中將環境溫度設為20℃，風速分別設為4m/s、5m/s、7m/s、9m/s、11m/s，通過仿真半導體組件的最高溫分別為46.88℃、44.76℃、42.00℃、40.255℃、39.03℃，則最高溫度與風速的曲線如圖1

所示。

由圖1能夠發現，隨著經過散熱器半導體組件的空氣流速增大，半導體組件的最高溫度持續降低，然而當空氣流速達到9m/s，半導體組件的溫度基本處于穩定，當繼續增加空氣流速時，半導體組件的溫度并未出現明顯的變化，但卻增加了系統的背壓以及噪音。

3 對半導體組件的溫升進行測試

在溫升試驗的過程中，給半導體組件通625A的電流，風機向外抽風，測得風機前面出風口風速為15m/s，型材散熱器的進風口風速為后中4.7m/s、上下5.7m/s。

由圖2可知，半導體組件的溫度達到穩定狀態的溫升約為20K。

4 結語

本文借助計算和仿真獲得了如下結論：理論計算與仿真獲得的半導體組件溫度基本相同。然而經過試驗獲得的溫升卻偏低，這是因為試驗所測量的溫度屬于管殼的表層溫度，而半導體組件的最高溫度卻是半導體PN的結溫。通過分析半導體組件的冷卻方式，并對大功率半導體組件的散熱計算、仿真和試驗驗證，為設置在封閉環境下的高電壓和大電流變頻器的散熱問題提供了積極的解決方案。

參考文獻

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作者簡介：周靖（1970-），女，湖北秭歸人，株洲變流技術國家工程研究中心有限公司工程師，研究方向：大功率電力電子裝備的散熱和結構設計。

（責任編輯：黃銀芳）