電力電子功率器件用風冷散熱器換熱技術研究

孫元邦，李 峰，韋志宇，孔麗君，王 博

（中車大連機車研究所有限公司，遼寧 大連 116021）

0 引言

隨著電力電子科學技術的科學發展，電力電子功率器件的應用更加廣泛，而決定電子器件使用壽命和性能的，一是器件本身的性能，二是電子器件的工作溫度，即用于電子器件散熱的散熱器的換熱能力[1]。目前，在熱流密度小于4 W/cm2的電力電子設備中，多數采用風冷式冷卻系統，例如電力機車、內燃機車輔助逆變器等用電設備的冷卻系統中的散熱器采用的是風冷散熱器。張梁娟等[2]利用FloTHERM對風冷模塊進行熱仿真，并用試驗測試結果驗證了仿真結果的可靠性，同時測試類多種冷板的散熱性能。楊景珊[3]選取3種典型的風冷散熱器（即平直肋片散熱器、填充泡沫金屬的矩形通道散熱器以及放射狀肋片散熱器）為研究對象，利用CFD軟件對散熱器的換熱能力進行強化，并對流動與傳熱綜合性能進行優化。王長昌等[4]應用散熱仿真軟件FLoTHERM對風冷散熱器散熱性能進行了仿真計算，并結合試驗數據進行了對比分析，研究了冷卻風速、齒片密度和高度等參數對風冷散熱器散熱性能的影響。邵強等[5]以矩形翅片式散熱器為例簡要分析了強迫風冷散熱所需的參考風量；基于散熱器結構形式和流體力學原理，推導出散熱風道的風阻估算公式；結合對風機P－Q特性曲線的簡要分析，快速得出風機實際的工作點和通風風量。潘舒潔[6]選擇風冷散熱器來進行研究，簡單闡明了散熱設計中的散熱計算、散熱器選擇、風冷散熱計算和風扇選擇等步驟，完成簡單的風冷散熱器設計。劉巍等[7]應用ICEPAK熱仿真軟件，對散熱器的2種減重設計方法（增大翅片間距和減小翅片高度）進行了對比分析。本文分別對型材、鏟齒和板翅式風冷散熱器的結構、散熱性能進行介紹。

1 風冷散熱器結構

1.1 常用的風冷散熱器

常見的風冷散熱器是由金屬加工成形，并由冷卻空氣流過散熱器而把電子器件的熱量散發到大氣環境中的一種散熱器。在常見的金屬材料中，銀的導熱系數最高為420 W/m·K，但它的成本昂貴；銅的導熱系數為383 W/m·K，比較接近銀的水平，但加工工藝復雜、成本高而且重量比較重；6063鋁合金的導熱系數為201 W/m·K，價格低廉、加工特性好、表面容易處理，性價比較高，因此目前主流風冷散熱器的材料一般都會選用此鋁合金。圖1所示為兩種常見的風冷散熱器。常用的風冷散熱器的加工方法主要有以下幾種：（1）鋁合金拉制成型，單位體積的傳熱面積可達到300 m2/m3左右，冷卻方式為自然冷卻和強迫通風冷卻；（2）散熱片與基板鑲嵌一體，可采用鉚合、環氧樹脂粘接、釬焊焊接、錫焊焊接等工藝方法把散熱翅片和基板連接起來，另外基板的材質也可以為銅合金，單位體積的傳熱面積可達到500 m2/m3左右，冷卻方式為自然冷卻和強迫通風冷卻；（3）鏟齒成型，此種散熱器可消除散熱片與基板的熱阻，散熱片的間距可小于1.0 mm，單位體積的傳熱面積可達到2 500 m2/m3左右，加工方法如圖2所示，冷卻方式為強迫通風冷卻。

圖1 常用的風冷散熱器

圖2 鏟齒式風冷散熱器加工方法

1.2 板翅式風冷散熱器

板翅式風冷散熱器是由多個零部件經釬焊加工而成的一種風冷散熱器，其主要由散熱片、肋板和基板等3個部件組成，其結構如圖3所示，散熱片可采用平片、波紋片、錯口翅片等結構。考慮到肋板的焊接工藝，肋板、散熱片和基座等多選擇3系列鋁材，保證板翅式風冷散熱器的可焊接性。板翅式風冷散熱器單位體積的傳熱面積可達到650 m2/m3左右，冷卻方式為自然冷卻和強迫通風冷卻。

圖3 板翅式風冷散熱器

2 各種風冷散熱器熱性能

2.1 常用的型材風冷散熱器

2.1.1 自然散熱

常用的風冷散熱器主要以自然冷卻的方式對電子器件進行冷卻，其散熱性能主要取決于散熱翅片厚度、翅片間距、翅片高度和沿冷卻空氣流動方向的散熱翅片長度等。自然散熱，那有效散熱面積當然越大越好，最直接的辦法就是減少翅片間距、增加翅片數量，但翅片的間隙小到一定程度會影響自然對流的邊界層，相鄰翅片板壁的邊界層一旦匯合，那翅片之間的空氣流速就急劇下降，散熱效果也急劇下降。通過對風冷散熱器熱性能仿真計算和試驗檢測，當散熱翅片長度為100 mm、熱流密度為0.1 W/cm2的條件下，不同翅片間距的散熱效果如圖4所示，最佳片距為8.0 mm左右。若散熱翅片長度增加時，最佳翅片間距將變大[8]。

圖4 基板溫度與翅片間距的關系曲線

2.1.2 強迫對流散熱

波紋風冷散熱器結構參數為翅高98 mm、翅片長度400 mm、翅片厚度4 mm、翅片間距4 mm、冷卻空氣迎面流速8 m/s，熱流密度2.38 W/cm2的波紋風冷散熱器進行溫升試驗。試驗結果得散熱器溫升45 K，冷卻空氣壓力損失為110 Pa，單位體積散熱量為245 kW/m3。另外，功率元件安裝面的均勻性較差，其溫差達到10℃左右，目前針對這個問題，通常在風冷散熱器安裝面上埋設銅熱管，可以使功率元件安裝面的均溫性在熱管鋪設方向上得到明顯改善，垂直方向上效果不明顯，若在基板中采用均熱板技術，功率元件安裝面整體的均溫性可控制在3℃范圍內，并且散熱器的溫升也可以得到一定的降低，本試驗件可降低3℃左右。

運用熱仿真計算軟件，在外界條件相同的條件下，對直齒和波紋形散熱翅片進行仿真計算，其結果如圖5所示。直齒散熱翅片功率器件安裝面溫度為153.5℃，波紋形散熱翅片為133.5℃，因此，波紋風冷散熱器的冷卻能力優于直齒風冷散熱器，但兩者散熱翅片本體的溫度均勻性比較差，從而對散熱器的冷卻性能產生較大的影響。

圖5 直齒和波紋形散熱翅片溫度場

2.2 板翅式風冷散熱器

板翅式風冷散熱器的結構參數為通風部分高度100 mm，翅片長度240 mm，翅片間距4 mm，冷卻空氣迎面流速8 m/s，熱流密度4.81 W/cm2，測試結果為散熱器溫升45℃，冷卻空氣壓力損失為460 Pa，單位體積散熱量為374 kW/m3。與波紋風冷散熱器比較，單位體積散熱能力提高52.7%，但空氣壓力損失也較大。

2.3 鏟齒風冷散熱器

為了了解鋁制鏟齒散熱器的熱性能，對翅高為15 mm、翅片長度150 mm、翅片厚度1 mm、翅片間距為1 mm、冷卻空氣迎面流速5.4 m/s，熱流密度2.7 W/cm2的鏟齒風冷散熱器進行溫升試驗。試驗結果表明：散熱器功率元件安裝面的溫度為74.2℃，散熱器溫升44.8 K，冷卻空氣壓力損失為460 Pa，單位體積散熱量達到4 570 kW/m3。

3 結束語

通過上述試驗結果，可以得出如下結論。

（1）風冷散熱器的冷卻能力按高低排序為：鏟齒風冷散熱器、板翅風冷散熱器、波紋風冷散熱器、直齒風冷散熱器。

（2）波紋風冷散熱器和直齒風冷散熱器中的散熱翅片溫差較大，對散熱器的冷卻能力產生較大的影響。

（3）自然風冷散熱器，具有最佳翅片間距，可由試驗或理論計算而得。

（4）由于鏟齒風冷散熱器的冷卻能力較強，可用于局部熱流密度較高的電子設備中。