功率MOSFET溫度場數值模擬研究

封 雷，朱端銀

(西安石油大學，陜西 西安 710065)

電機逆變器在電動汽車應用中，功率模塊的可靠性與性能對電機逆變器性能具有重大影響[1-2]。實現逆變的功率器件有絕緣柵雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipola Transistor)IGBT和金屬氧化物半導體場效應管MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)，電機逆變器的核心功率器件熱處理直接影響MOSFET使用的數量及整機安全性[3]。為了提高Mosfet使用效率及使用安全性，對功率Mosfet進行有限元數值模擬熱分析并優化設計散熱方案[4]，可在樣機制作前就能判斷設計是否能滿足產品的熱可靠性，更能將功率MOSFET發熱分布更加可視化，直觀的描述出熱分布、熱傳遞情況，于傳統意義上的實驗相比更加低碳及節省經費。

1 建模與設置

根據物體表面真實流動特性與冷卻系統工程實際，對實物外形進行結構簡化，建立計算相關物理模型，本文研究涉及繞流流場的數值模擬[5-6]。

1.1 幾何建模

圖1 MOSFET幾何模型圖

驅動板散熱結構MOSFET幾何模型如圖1所示。MOSFET尺寸為10×10×3.5 mm，水道截面積12×3 mm，水包尺寸為114×65×10 mm。水道均勻分布。

1.2 求解器設置

模型求解使用Realizable k-e湍流方程，Scalable Wall Function處理壁面，Coupled算法求解。邊界條件設置：入口流量6 L/min，每個孔流量均為2 L/min，入口溫度65℃。

2 計算結果及分析

2.1 水道截面尺寸對散熱的影響

不同截面水道對散熱的影響的計算得到的穩態溫度分布，如圖2所示。水道截面的中心線位置不變，只改變水道截面的寬度和高度，不同水道截面的計算結果如表1所示。

表1 不同截面的計算結果數據表

圖2 水道截面穩態溫度分布圖

水道截面高度越小，MOSFET管最高溫度越小，但壓力損失增大；水道截面高度為3 mm時，水道寬度的減小只會令壓力損失變大，而MOSFET管最高溫度幾乎不變；高度越小，MOSFET管最高溫度越小，但壓力損失增大；水道寬度的減小在令壓力損失變大的同時，MOSFET管最高溫度也會變小。

2.2 水道數量對散熱的影響

水道數量對散熱的影響的計算得到的穩態溫度分布，如圖3所示。不同水道數量的計算結果如表2所示。

圖3 水道數量穩態溫度分布圖

表2 水道數量對散熱的影響

水道數量增多，MOSFET管最高溫度會先減小，然后隨水道數量增多而增大，但壓力損失會一直減小。但對水道高度3 mm來說，溫度變化不大。

3 結論

MOSFET管溫度對水道截面的高度比較敏感，水道截面的寬度對MOSFET管的溫度影響不大，水道截面積越小，壓力損失越大。水道數量增多，MOSFET管最高溫度會先減小，然后隨水道數量增多而增大，但壓力損失會一直減小。

綜合水道截面，水道數量分析對比，最終選定水道截面12 mm×3 mm，水道數量3個的散熱結構。