IGBT散熱器風冷散熱優化設計與評估

陳俊杰 周雷 秋雨豪

摘? ?要： 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊功耗持續增加，對風冷散熱提出了更高要求。以某大型冷水機組變頻器為研究對象，結合仿真模擬和試驗測試，提出IGBT散熱器優化方案：一是將散熱器翅片間距從3.0 mm減小到2.5 mm，增大換熱面積;二是給每個IGBT模塊增加2根熱管，突破肋效率帶來的瓶頸問題。優化后進行驗證，IGBT的工作結溫從149.9℃降到127.2℃，達到了IGBT最高工作結溫控制在130℃以內的設計要求;同時對熱管相容性和壽命進行評估，表明熱管工作介質不會對管殼材料造成腐蝕或者溶解，熱管壽命可達到21萬3 414 小時，能夠保證變頻器和IGBT模塊的長期可靠運行。

關鍵詞： IGBT散熱器;風冷散熱;熱管;肋效率;工作結溫;相容性;可靠性

中圖分類號：TN305.94? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-045-05

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.008

引言

隨著電子科學技術的發展，電子元器件的體積越來越小，功耗和散熱成為瓶頸問題，使得電子元器件本身和使用電子元器件設備的熱流密度不斷增大。據統計，電子產品發生故障的主要原因就是冷卻系統設計不良。因此，電子元器件的散熱設計直接決定使用該電子元器件的設備能否可靠工作、持久耐用。

以絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模塊為例，對其進行的失效機理研究表明：其各層材料的熱膨脹系數在封裝時往往不一致。在長時間高溫工作環境下，這種不一致性可能會導致鋁鍵合線脫落甚至斷裂、焊料層發生老化、柵極氧化層受到損壞等，甚至使得整個芯片失效。因此，散熱設計對于IGBT模塊來說也是尤為重要的。當前通用電子設備散熱方式包括空氣自然對流、強迫空氣/液體冷卻、冷板/熱管散熱、相變冷卻等，是比較成熟的。在這幾種散熱方式中，空氣自然對流方式的散熱能力最差，僅適用于較小功率的電子元器件，越來越難以滿足目前電子元器件功率持續增加的需求[1]。目前最常用的散熱途徑是對散熱器的結構形式進行優化。

目前試驗分析法和仿真分析法是研究IGBT模塊散熱問題的兩種主要方法。試驗分析法一般在實驗室或者實際運行的機組上進行測試，得到可信度高的溫升數據，但是無法直接測量芯片內部及焊料等部位的溫度。仿真分析法一般通過電氣、熱力學等理論建立數學模型進行計算，其中熱力學仿真主要包括熱阻抗網絡、有限元、有限體積和模型降階等方法[2]。在IGBT模塊散熱設計工作中，通常根據需求采取試驗分析法、仿真分析法中的一種，或者將二者相結合。

筆者在對某大型冷水機組變頻器進行設計過程中，對IGBT散熱情況進行了仿真模擬，發現常規的風冷散熱無法滿足IGBT的散熱要求;提出了增大換熱面積、增加熱管個數這兩個強化散熱的解決方案;經過仿真模擬，開展可靠性評估和壽命預測，驗證了方案的可行性。

1? IGBT散熱問題描述

某大型冷水機組變頻器的風冷散熱系統如圖1所示。變頻器采用5個風扇進行散熱，風扇從下側吸風，風進入風道之后，先經過嵌在風道中的電容，再進入IGBT散熱器進行冷卻，最后從上側吹出。在變頻器設計開發階段，筆者對IGBT的可靠性進行了評估。在環境溫度為40℃的條件下，對額定電流為950 A的標準變頻器在110%負載、600 V母線電壓、3 kHz載頻、90%風量時IGBT各處的溫度進行了仿真模擬，結果如圖2所示。從圖2可以看出，IGBT散熱器經過風冷散熱系統后，其各處溫度中最高溫度為126.9℃，據此可推算IGBT工作結溫已經達到149.9℃，溫度太高，幾乎沒有余量（IGBT工作結溫最高允許值為150℃），無法滿足散熱設計要求。通常來說，IGBT的最高工作結溫最好控制在130℃以內，以確保IGBT能夠長期穩定地工作。

為了驗證仿真模擬的結果，筆者還對變頻器的散熱進行了試驗驗證。通過試驗發現，在大電流檔位下，IGBT的散熱達不到要求。變頻器在滿載條件下，會出現過溫報警的問題。因此，需要對IGBT的散熱進行重新設計。設計初期，首選對風冷散熱進行了改善，而沒有考慮水冷散熱，這是因為水冷器泵循環系統較為復雜，而且需要二次風冷卻系統，還易出現泄漏問題，未能很好權衡研發成本、系統可靠性和市場需求等因素[3]。

2? IGBT散熱改善方案設計

如同第1章所述，目前IGBT散熱器采用的風冷卻系統還達不到散熱要求，故首先需要考慮加大散熱風扇的風量。此外，考慮到目前散熱風扇的風速已經比較大，根據經驗，風速達到一定值后，散熱效果不會隨著風速的增大而大幅改善，只會造成風機功率變得更大，成本增加，得不償失。而且，該變頻器外形尺寸已經固定，沒有足夠的空間放置更多或者更大的風扇。因此，筆者擬從以下兩個方面來改進IGBT的散熱效果。

2.1? 增大IGBT散熱器換熱面積

對于IGBT散熱而言，按照對流傳熱的牛頓冷卻公式，散熱器的總散熱能力可以寫為

其中，為散熱器的總散熱能力（W）;為散熱器的總傳熱系數[W/（m2·K）];為散熱器的有效散熱面積（m2）;為IGBT散熱器表面溫度與散熱翅片周圍冷卻空氣溫度的差值（K），即。

將式（1）變形為

其中，是當有效散熱面積為單位面積時，散熱器的總熱阻（K/W）。按照傳熱學理論，是各個串聯傳熱環節中的熱阻之和。對IGBT散熱器而言，其熱阻主要由3部分組成。

其中，為IGBT內部的結到管殼的熱阻;為管殼到散熱器內表面的熱阻;為散熱器內表面到環境的熱阻。在這3個熱阻中，是由IGBT的加工過程決定的，通常由IGBT生產廠家給定;要遠遠小于其他兩個熱阻，通?？梢院雎圆挥?占熱阻的比重最大。所以，對IGBT工作結溫的影響分析主要聚焦于的改善上。的大小通常與散熱器材料的熱導率、散熱器的大小、散熱翅片的高度和厚度、散熱翅片的數量、散熱翅片的間距等因素有關。

通常來說，冷卻氣體橫向掠過帶翅片的散熱器時，其傳熱系數與工作環境的諸多因素相關聯，對應的關聯式已由有關相似實驗中得到[3]，即

其中，普朗特數;雷諾數。為冷卻氣體掠過散熱器翅片表面時的最大速度（m/s）;為冷卻氣體的導熱系數[W/（m·K）];為冷卻氣體的定壓比熱容[J/（kg·K）];為冷卻氣體密度（kg/m3）;為冷卻氣體動力粘度系數（kg/m·s）;是幾何參數，表示散熱器的特征尺寸（m）;為翅片間距（m）;為翅片厚度（m）。

在本例中，由于變頻器的外形尺寸已經固定，散熱器的長度和寬度無法更改，所以優先考慮通過減小翅片間距、增加翅片數量的方式來增大IGBT散熱器的換熱面積。對普通散熱器而言，翅片的肋效率的表達式為

其中，肋參數為一個參數群。為散熱器基板上的翅片高度（m）;為散熱器與周圍冷卻氣流之間的傳熱系數[W/（m2·K）];為散熱器材料的導熱系數[W/（m·K）]。

散熱器的有效散熱面積為

其中，為散熱器總的散熱面積（m2）。

肋效率與肋參數的依變關系曲線如圖3所示，其是根據式（5）得到的。通過圖3的曲線可以看出，單純靠增加翅片密度來獲取更多的散熱面積的做法是不可取的。增加了散熱面積，就增加了散熱器和周圍冷卻空氣之間的散熱系數，導致肋效率 降低，隨之帶來的是對散熱面積的抵消，最終導致有效散熱面積減小[4]。所以，翅片間距存有一個最佳設計值。根據計算得到的最佳翅片間距是2.5 mm。

因此，在其他條件不變的情況下將散熱器的翅片間距從3.0 mm減小到2.5 mm，然后再對IGBT的散熱進行熱仿真模擬，結果如圖4所示。從圖4可以看出，IGBT散熱器各處溫度中最高溫度為115.6℃，折算成IGBT工作結溫為138.6℃。這一結溫值雖然較之前有所降低，但是仍然無法滿足散熱設計要求。

從上面的分析可知，雖然通過縮小翅片間距可以增加實際翅片面積，但是有效散熱面積會隨著肋效率的降低而減小，因此這種翅片類型的散熱器存在某一個散熱極限。故而，如果IGBT發熱量較大，單憑增加換熱面積是無法滿足散熱需求的。

2.2? 在IGBT散熱器上增加熱管

為了進一步強化IGBT散熱器的散熱量，筆者采用熱管對IGBT散熱器進行散熱。熱管是眾所周知的最有效的高效傳熱元件之一，其結構如圖5所示。熱管是依靠封閉在管殼內部的介質相變來實現傳熱的。熱管兩端分別是加熱端和冷卻端，加熱端受熱后介質會吸收熱量，迅速汽化，在熱管兩端壓強差的作用下，蒸汽會流向冷卻端，并在冷卻端釋放出汽化時吸收的熱量。冷凝后的介質在毛細作用力下從冷卻端回到加熱端，并再次吸熱汽化，如此循環，不斷地把熱量從加熱端帶向冷卻端，直到熱管兩端溫度達到平衡一致[5]。在這樣快速進行的循環下，可以持續不斷地把熱量傳導出去。采用熱管技術對IGBT進行散熱，IGBT內部產生的熱量絕大多數通過IGBT基板傳給熱管，再通過熱管把熱量傳給散熱翅片，使得散熱器上所有翅片的熱流密度都不會有很大的差異。肋的設計結構可以顯著提高肋效率，增大有效散熱面積，并且能夠靈活布置，通過熱管把熱量帶到更加適合散熱的地方，使得散熱器能夠勝任高熱流密度電子元器件在復雜惡劣工作環境下的散熱[6]。

增加熱管之后，式（2）中的熱阻發生了變化。IGBT散熱器在散熱過程中，熱量首先由IGBT傳遞到熱管加熱端內，然后在熱管內加熱、冷卻，再傳遞到散熱翅片的基板上，最后由冷卻氣流帶走。在這個傳遞過程中，總熱阻R的表達式為

其中，為從管殼傳遞到熱管加熱端內壁的導熱熱阻，，其中為熱管加熱端的壁厚（m），為熱管材料的導熱系數[W/（m·K）]，為熱管加熱端的內壁表面面積（m2）;為加熱端內的傳熱熱阻，，其中為加熱端內壁與工質之間的傳熱系數[W/（m2·K）];為熱管內飽和蒸汽的傳熱熱阻（K/W），對于等溫傳熱而言，很小，可以忽略不計;為冷卻端蒸汽與內壁之間的熱阻（K/W），，其中為熱管冷卻端的內壁表面面積（m2）， 為冷卻端內壁與工質的傳熱系數[W/（m2·K）];為冷卻端內壁到散熱片基板之間的導熱熱阻（K/W），，其中為熱管冷卻端的壁厚（m），為熱管冷卻端材料的導熱系數[W/（m·K）]，為熱管冷卻端的中徑面積（m2）;為從散熱翅片到冷卻氣流之間的傳熱熱阻（K/W），。

根據變頻器的實際使用條件，在每個IGBT模塊下增加2根熱管時，仿真模擬結果如圖6所示。從圖6可以看出，IGBT散熱器各處溫度中最高溫度104.2℃，據此可推算IGBT工作結溫為127.2℃，滿足結溫低于130℃的設計要求。此外，在最惡劣工況條件下對變頻器的IGBT開展了實際的溫升測試，表明IGBT工作結溫確鑿在130℃以下，能夠保證變頻器長期可靠地運行。

3? 熱管相容性及壽命預測

熱管相容性是衡量在預期的設計壽命周期內，管內的工作介質不會與殼體材料發生明顯的物理反應或化學變化，或雖然有點變化但不影響熱管的工作性能的指標。長期相容性良好的熱管，不僅能夠保證穩定的傳熱性能，還能延長自身的工作壽命。本文采用的燒結式熱管內部采用的工作介質是去離子水，不會產生不凝性氣體。去離子水在150℃下不會發生分解，而且去離子水在150℃下并不會與銅發生化學反應，所以不會對管殼材料造成腐蝕或者溶解[7]。所以，本文使用燒結式熱管屬于相容性比較好的應用場景。

從業界對熱管的研究來看，目前熱管的壽命只與工作溫度相關，熱管的加速壽命試驗條件是以180℃、96 h作為基準的，遵循工作溫度每降低10℃，熱管的壽命延長1倍的準則。假設變頻器運行典型工況如表1所示，在最高環境溫度40℃下，負載率為110%的工況占所有工作時間的1%，負載率為100%的工況占所有工作時間的10%，負載率為80%的工況占所有工作時間的40%，負載率為60%的工況占所有工作時間的40%，負載率為10%的工況占所有工作時間的9%。通過計算，把所有不同工況下實際壽命相加，即得到熱管的壽命約等于213 414 h。以水冷機組年平均運行6 000 h的工作時間預估，該熱管的使用壽命長達35.5年，完全滿足機組的壽命設計要求。

4? ?結束語

本文結合仿真模擬和試驗測試，聚焦于標準散熱器不能滿足IGBT散熱要求的問題，通過散熱器結構形式優化，以及在散熱器上增加熱管的方案，使IGBT工作結溫有效控制在設計要求范圍內，通過了變頻器的溫升測試。同時，本文還對散熱器中使用的熱管壽命進行了預測，表明變頻器能夠長期可靠運行。該研究成果對IGBT散熱器設計，以及熱管在散熱器中的應用具有一定的指導作用。

參考文獻

[1] 唐強. IGBT元件熱管冷卻傳熱性能的實驗與數值研究[D]. 蘭州： 蘭州交通大學， 2013.

[2] 徐鵬程， 陶漢中， 張紅. IGBT熱管式整體翅片散熱器優化分析[J]. 制冷學報， 2014， 35（5）： 101-104.

[3] 丁杰， 張平. 地鐵車輛牽引逆變器熱管散熱器的溫升試驗及熱仿真[J]. 中國鐵道科學， 2016， 37（3）： 95-100.

[4] 樊小朝， 史瑞靜. 熱管散熱器在電力電子器件中的應用[J]. 山東電力高等?？茖W校學報， 2010， 13（2）： 46-48

[5] 崔燕鵬. 熱管技術在采暖散熱器上的應用研究[J]. 科技創新導報， 2015（3）： 96， 98.

[6] 潘陽. 熱管在電子器件熱控制中的應用[J]. 電子機械工程， 1995（4）： 23-32.

[7] 曲偉， 王煥光. 高溫及超高溫熱管的相容性和傳熱性能[J]. 化工學報， 2011， 62（S1）： 77-81.

作者簡介：

陳俊杰（1986—），通信作者，男，漢族，碩士，工程師。研究方向：空調產品可靠性。

E-mail： junjie.chen@tranetechnologies.com

周雷（1978—），男，漢族，本科，工程師。研究方向：空調產品可靠性。

秋雨豪（1976—），男，漢族，博士，工程師。研究方向：空調產品可靠性。

（收稿日期：2020-10-14）