基于水冷的IGBT模塊散熱結構設計及優化

林 鑫，應保勝，聶金泉，劉 禎，張遠進

（1.武漢科技大學 汽車與交通工程學院，武漢 430081；2.湖北文理學院 純電動汽車動力系統設計與測試湖北省重點實驗室，湖北 襄陽 441053；3.湖北文理學院 汽車與交通工程學院，湖北 襄陽 441053）

當前，全球各國大力推行節能減排的政策措施，極大推動了純電動汽車等新能源汽車的高速發展［1－2］。而電機控制器作為純電動汽車中最為重要的部件之一，直接影響車輛的穩定性和安全性。

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是電機控制器中最為重要的器件，是決定電機控制器性能的關鍵［3－4］。近年來，隨著IGBT模塊的快速發展，其內部空間中安裝的元器件逐漸增多，剩余可用空間減少，使得IGBT模塊產生的熱流密度快速增大［5－6］。若不將其中的熱能及時通過散熱器傳遞出去，熱能會在內部狹小的空間中逐漸積累，一旦積累的熱能超過模塊的最大承受能力，就會導致IGBT模塊內部器件被燒毀失效，進而影響電機控制器及汽車本身的可靠性和安全性［7－8］。因此，對IGBT模塊的散熱性能進行詳細研究具有重要意義。

目前，在實際工程應用中，運用于電機控制器的散熱方法主要分為風冷和液冷兩種［9］。隨著IGBT模塊功率的逐漸增大，風冷的散熱方式已不再適用于此類大功率IGBT模塊。此時，就需要散熱能力更好的液冷冷卻方法對IGBT模塊進行散熱處理。沈麗萍等［10］對設計的3種風冷散熱翅片和4種緊湊式方案進行仿真分析，結果表明半圓形散熱翅片的散熱效果最好；方案1在滿足IGBT模塊散熱要求基礎上節省的空間和成本最多。賴晨光等［11］詳細研究了水道中擾流塊的高度和形狀對IGBT模塊結溫的影響，結果表明在冷卻水道中加入高度為0.7 mm且形狀為菱形的擾流塊時，IGBT模塊的散熱性能可達到最優。Wang Y等［12］研究了純電動汽車中IGBT模塊中的集成液體對模塊溫度的影響，結果表明通過集成液體直接冷卻可消除導熱油脂層，IGBT到散熱器之間的熱阻下降了50%以上，降低了模塊的結溫。綜上發現，目前大多研究僅在風冷散熱器的結構特征、擾流塊以及冷卻液的流動特性等方面進行研究，在水冷的針柱散熱器的結構特征方面研究較少。針對這種情況，在常規散熱針柱的基礎上設計了圓環形和螺旋形散熱針柱。分別對3種散熱針柱的IGBT模塊進行理論計算和數值模擬，通過對比分析，得到散熱能力最好的螺旋形散熱針柱，并進一步對螺旋形散熱針柱進行優化處理。

1 幾何模型建立

通過三維建模軟件UG對IGBT模型進行簡化處理，圖1為IGBT模型簡化后的物理模型。IGBT模塊主要由芯片、基板、散熱器以及水槽組成，芯片共24個，尺寸為9 mm×9 mm×0.3 mm；基板共1個，尺寸為214 mm×78 mm×3 mm；水槽共1個，尺寸為190 mm×64 mm×12 mm，進口與出口的直徑為10 mm。為增大散熱針柱與冷卻液之間的接觸面積，設計了圓環形和螺旋形散熱針柱。圖2（a）為常規形散熱針柱，針柱高8 mm，直徑2 mm，與另外2種散熱針柱的高和直徑相同。圖2（b）為圓環形散熱針柱，針柱上的環形槽深0.2 mm，槽高0.25 mm。圖2（c）為螺旋形散熱針柱，散熱針柱上的螺紋大徑為2 mm，小徑為1.8 mm，長為6 mm，螺距為0.5 mm，角度為60°。

圖1 IGBT物理模型示意圖

圖2 3種散熱針柱結構示意圖

2 IGBT結溫計算

在實際工程應用中，由于續流二極管只產生很少的熱量，故計算時不考慮續流二極管的影響，只將IGBT作為唯一熱源分析，模塊中每個IGBT熱源的發熱功率均為100 W。當IGBT模塊工作時，IGBT熱源產生的熱能在向外界環境傳遞的過程中，總熱阻主要由3個部分組成：①IGBT熱源產生的熱能傳遞到散熱器時產生的接觸熱阻Rjd；②熱能在散熱器中所受的固體傳熱熱阻Rjv；③散熱器與冷卻液直接接觸時產生的對流換熱熱阻］。

總熱阻為：

式中：c為IGBT熱源與散熱器之間的厚度；K為導熱率，取值為390 W·（m·k）－1；S為熱量在垂直方向傳遞的橫截面積。

式中：d為散熱器的高度；Kc為散熱器的導熱率，取值為193 W·（m·k）－1；D為散熱針柱的橫截面面積；n為散熱針柱的個數。

式中：Av表示總的有效對流換熱面積；hv表示冷卻液的對流換熱系數。

其中：

式中：k為水的導熱率；L為特征長度；Nu為努塞爾數。

仿真部分流體狀態選擇湍流模型，故此處選擇迪圖斯－貝爾特（Dittus-Boelter）公式對努塞爾數進行計算。

式中：Re表示雷諾數；Rr表示普朗特數；當水槽中冷卻液的溫度比壁面的溫度低時，n＝0.4；反之，n＝0.3。這里取n＝0.4。

式中：ˉv表示冷卻液的平均流速；γ表示冷卻液的運動黏度。

選用的冷卻液為水，入口溫度為50℃，查得水在定性溫度Tf為50℃時的物性參數，水的導熱率為0.648 W·（m·k）－1，運動黏度為0.553×10－6m2／s，普朗特數為3.54。

根據IGBT模塊結溫的計算方法，將IGBT模塊的整個散熱過程簡化等效為計算網絡，如圖3所示。

圖3 熱阻模型等效網絡示意圖

圖3中，PT為IGBT模塊在額定條件下總的發熱功率；Td為基板的平均溫度；Tv表示散熱器的平均溫度；Ta表示冷卻液的溫度（50℃）。故：

3種散熱針柱的IGBT模塊在整個散熱過程中的熱阻及其結溫分別如表1所示。

表1 3種散熱針柱下IGBT模塊的熱阻與結溫

3 數值模擬

3.1 網格劃分

網格模型選用適用于湍流流體模擬的多面體網格生成器。因3種IGBT模型結構只在散熱針柱上有差異，故3種IGBT模型網格劃分設置相同。模型整體網格尺寸設置為10 mm，邊界處棱柱層設置為3層。為提高網格質量，分別對24個IGBT芯片和散熱針柱進行局部加密。芯片的網格尺寸設置為0.7 mm，散熱針柱的網格尺寸設置為0.4 mm。劃分的網格數量均約為129萬個，最終的局部網格模型如圖4所示。

圖4 3種IGBT模型的局部網格示意圖（放大）

3.2 仿真參數設置

IGBT模塊的冷卻方式為液冷散熱，故需對冷卻液的物性參數進行設定。選擇的冷卻液為水，進口溫度為50℃，水的導熱率為0.648 W·（m·k）－1，密度為988.1 kg·m－3，比熱為4.174 J·（kg·k）－1。進口流量設置為10 L／min，出口設置為壓力出口，每個IGBT的發熱功率設置為100 W。IGBT芯片材料為硅，基板材料為銅，散熱器材料為鋁合金，各部位的具體材料屬性參數如表2所示。

表2 材料屬性參數

3.3 仿真結果分析

通過STAR－CCM＋軟件的后處理功能，分別得到3種散熱針柱的IGBT模塊的溫度場、壓力場以及速度場云圖，如圖5～7所示。

圖5 3種散熱針柱下IGBT模塊的溫度分布云圖

由圖5可知：3種IGBT模塊的溫度分布均為從右到左逐漸增加，靠近進水口處的IGBT熱源溫度要遠低于出水口處的IGBT熱源。圖5（a）所示的常規形散熱針柱的IGBT模塊的最高溫度為106.7℃，圓環形和螺旋形散熱針柱的IGBT模塊與其相比，最高溫度分別降低了5.9、7.3℃。可以看出，所設計的圓環形散熱針柱和螺旋形散熱針柱的散熱效果要優于常規形散熱針柱。

圖6給出了水流的壓力分布云圖，從中可以看出：在入口流量相同的情況下，3種散熱針柱下的水流壓力分布較為均勻。最大壓力均出現在水流進口處，最小壓力在出口處，進出口水流壓降分別為8 352.1、8 928.5、9 020.1 Pa，后2種散熱針柱的壓降比常規形散熱針柱壓降分別增加了576.4、668.0 Pa。從整體上看，3者壓降相差不大。從圖7的3種散熱針柱下水流速度分布可以直觀地看出水流流速基本沒有變化，3種模型的平均水流速度均約為0.5 m／s。但從圖7（a）中看出：常規形散熱針柱的水流速度分布較為稀疏，表明水流在散熱針柱之間的流動性較差，在中部的散熱針柱處表現更為明顯。而后2種散熱針柱下的水流流動性明顯增強，散熱能力更強。從圖7（b）中可以看出：在接近進水口處，水流出現較小的回流現象，但對IGBT模塊結溫影響較小；若增大進口流量，可能會使IGBT模塊此處的溫度升高，影響模塊正常工作。而圖7（c）的螺旋形散熱針柱結構消除了進水口處的回流現象，使IGBT模塊的散熱能力得到了加強。

圖6 3種散熱針柱下水流壓力分布云圖

圖7 3種散熱針柱下水流速度分布云圖

通過上述分析可以看出：在同等條件下，所設計的圓環形和螺旋形散熱針柱的散熱效果要好于常規形散熱針柱。且3種散熱結構的IGBT模塊的理論計算結果和仿真計算結果接近，常規形、圓環形及螺旋形散熱針柱下的IGBT模塊理論結溫分別為101.4、97.3、96.1℃，仿真模擬的IGBT模塊結溫分別為106.7、100.8、99.4℃，3種IGBT模塊的結溫誤差均小于5%。出現誤差的原因主要有3點：①仿真過程中，因為是對簡化模型進行仿真，故與實際模型之間會存在一定誤差；②仿真中的冷卻水道為完全光滑，而實際水道有一定的粗糙度，冷卻液流速和方向會有一定誤差；③仿真時忽略了熱輻射對散熱結果的影響。接下來將針對散熱效果最好的螺旋形散熱針柱做進一步優化處理，使其達到最優散熱性能。

4 不同條件下螺旋形針柱的仿真結果

4.1 針柱高度對散熱的影響

保持散熱針柱數量、直徑及進口流量不變，對不同高度的散熱針柱進行仿真分析。IGBT模塊的結溫變化如圖8所示。

圖8 不同針柱高度的溫度仿真結果

由圖8可知：隨著散熱針柱高度的增加，IGBT模塊的結溫整體呈現平緩下降的趨勢。隨著散熱針柱高度的持續增加，雖然IGBT模塊結溫仍在下降，但下降幅度開始變小，故散熱針柱的高度不宜過大，過大會增加散熱器的成本。而圖8中曲線各段斜率分別為8.9、5.2、3.9、3.1、2.4、1.3，可以看出曲線斜率在針柱高度為11 mm時有較大變化，出現轉折。考慮到成本、加工工藝等因素，散熱針柱高度取11 mm為宜。

4.2 針柱直徑對散熱的影響

取針柱高度為11 mm，控制散熱針柱數量和進口流量相同，分別對不同直徑的散熱針柱進行仿真分析，得到IGBT模塊的結溫變化如圖9所示。

圖9 不同針柱直徑的仿真結果

由圖9可知：散熱針柱直徑對IGBT模塊的結溫有較大影響。在同等情況下，隨著散熱針柱直徑的增大，針柱的有效散熱面積增大，散熱器的散熱性能得到顯著提高。但隨著散熱針柱直徑的持續增大，散熱器的散熱效果開始減弱，從圖9可知：曲線各段斜率分別21.6、17.2、6.2、3.6，曲線斜率在針柱直徑為2.5 mm時發生明顯的轉折變化。之后IGBT模塊的結溫下降幅度明顯變小，散熱針柱直徑對IGBT模塊的散熱影響程度降低，故針柱直徑選取為2.5 mm。

4.3 進口流量對散熱的影響

選取針柱高度為11 mm，針柱直徑為2.5 mm，在散熱針柱數量相同的條件下，再分析進口流量對IGBT模塊散熱的影響，仿真結果如圖10所示。

圖10 不同進口流量的仿真結果

通過圖10的仿真結果可知：進口處水流流量越大，由于IGBT模塊的結溫是逐漸下降的，故下降幅度逐漸變小。模塊結溫在水流流量為12 L／min時開始平緩下降，水流流量對模塊結溫的影響減小。因此，過大的進口水流流量并不會提高IGBT模塊的散熱效率，相反，過大的水流流量會增大水槽中的水流壓降，使得散熱器的散熱效率開始降低。從圖10可知：曲線各段斜率分別為4.4、3.7、2.6、2.2、1.2、0.91、0.34，曲線斜率在流量為12 L／min前后產生較大變化，故在滿足散熱器散熱要求下，進口處水流流量在12 L／min時螺旋形散熱針柱的散熱效果較好。

4.4 最終優化方案

通過以上仿真優化處理，最終的優化方案如表3所示。在最終優化散熱方案下，IGBT模塊的結溫為96.8℃，比優化前的IGBT模塊的結溫降低了2.6℃。優化后的IGBT模塊的結溫相比IGBT模塊的最大結溫低125℃，滿足IGBT模塊的工作要求。

表3 最佳優化方案

5 結論

1）3種散熱針柱的IGBT模塊結溫的理論計算結果和仿真計算結果基本一致，誤差均小于5%。通過對比3種散熱針柱的IGBT模塊發現，圓環形和螺旋形散熱針柱的散熱效果要優于常規形散熱針柱，而螺旋形散熱針柱的散熱效果最好。

2）散熱針柱高度和直徑對散熱器的散熱性能影響較大，針柱高度和直徑的增大加大了水流與散熱針柱之間的接觸面積。同等條件下，兩者之間的換熱效果得到了增強，提高了IGBT模塊的散熱能力。但隨著其過度增大，散熱器的散熱效果開始降低。

3）水流流量是影響水冷散熱器散熱性能的一個重要因素。當進口水流流量剛開始增大時，水流在水槽中受到的阻力較小，壓降也較小；隨著進口水流流量的繼續增大，水流在水槽中受到的阻力開始增大，壓降也隨之增大，散熱器的散熱效率開始下降。此結論對針柱式水冷散熱器的結構設計及優化有較大的參考價值。