大功率壓接式功率器件用水冷基板研究

任智達　王碩　戴立國　廖蘊博

摘要：針對大功率壓接式功率器件的散熱需求，進行用于其冷卻的水冷基板設計與研究。根據壓接式功率器件用水冷基板結構特點和技術要求，設計內部冷卻流道為螺旋線結構，使用UG軟件建立三維模型，應用仿真軟件計算得出其溫度場分布云圖和壓力分布云圖，并對產品進行熱性能試驗和壓接試驗。結果顯示，表面研制的水冷基板仿真計算結果與試驗結果相近，熱阻和流阻參數指標滿足技術條件要求，功率模塊區域均溫性良好，且產品可靠性滿足設計及實際運用要求。該研究內容為類似結構水冷基板設計提供參考。

關鍵詞：壓接式功率器件;水冷基板;仿真分析;試驗

中圖分類號：TN322.8 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）103—0235—03

0引言

目前，隨著電力系統和電力電子技術的發展，出現了許多采用大功率電力電子器件的設備，其中大功率壓接式功率器件得到廣泛應用，其具有功率密度大、寄生電感低、雙面散熱、失效短路等優點，是用于智能電網、軌道交通等高壓大功率電壓源換流裝備的理想器件。因此，專家學者對大功率壓接式功率器件進行了大量研究。李輝等對比分析全壓接和銀燒結封裝形式對壓接型功率器件的電一熱應力的影響，并探究了不同封裝形式的功率器件電一熱應力存在差異的原因。竇澤春等、肖紅秀等對壓接式IGBT模塊熱學特性進行研究，分析了模塊結構對熱阻的影響，并針對電極銅塊面積、電極銅塊厚度及鉬片厚度等結構參數提出了優化方案。鄧二平等基于壓接型功率器件的有限元計算模型和特殊的應用工況，研究器件內部各組件加工誤差與內部的布局方式對器件內部壓力分布的影響。

但現有研究主要集中在壓接式功率器件本身，對用于其冷卻的水冷基板鮮有研究。功率器件在工作時會產生大量的熱量，散熱問題直接影響其使用壽命，通過水冷散熱方式可以有效帶走其熱量，另外壓接式功率器件對水冷基板表面強度和平面度均有一定要求。

本文基于某項目用水冷基板進行方案設計，并通過仿真計算和試驗測試，對研制產品的散熱性能和可靠性進行驗證。

1設計要求

水冷基板外形尺寸為175mm×175mm×25mm，冷卻液進、出水口在水冷基板兩側，在水冷基板正反面各壓接一塊功率器件，接觸面為φ125mm圓形區域，熱損耗均為4000W，產品組裝時施加壓力為90kN，需要通過富士感壓紙對板面壓力分布進行檢測，圖1所示為功率器件布置示意圖。該水冷基板流動特性參數要求如表1所示。

說明：最大熱阻R=（水冷基板板面最高溫度T-冷卻液入口溫度T）/熱損耗Q。

2模型建立及仿真分析

根據功率模塊結構特點及其布局，保證流道盡可能在功率模塊正下方，同時水冷基板表面能夠承受90 kN壓力，采用螺旋線形式的流道設計，雙面加工，流道寬度4 mm，流道深度5 mm，保證水冷基板板面溫度均勻性。使用UG三維建模軟件完成模型建立，如圖2所示。

2.1流體仿真分析

應用FloEFD流體仿真軟件對模型進行流體動力學分析。首先對模型加載初始條件和邊界條件，將水冷基板材質設置為6060鋁合金，水冷基板內流體設置為去離子水，入口流量為6L/min，入口溫度為50℃，加載損耗共8000w。其次對計算模型進行網格劃分，為提高計算精度，對水冷基板內腔做細化網格處理，總數為1086 690。

流體的運動規律遵循物理學三大守恒定律，即質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。流體動力學基本方程組就是這三大定律對流體運動的數學描述。對此次分析的水冷基板模型中，單位時間流出的冷卻液質量等于流入的質量，也可以說微元控制體內的流體密度不隨時間變化，計算中冷卻液為不可壓縮流體。

水冷基板板面溫度分布云圖如圖3所示，加熱板面最高溫度為83.36℃，功率模塊區域溫差小于3℃，均溫性良好。通過計算得到仿真分析結果匯總表如表2所示，由表可知，設計的水冷基板熱阻為8.34℃/kW，小于9.3℃/kW;流阻為0.039 MPa，小于0.04 MPa，流阻和熱阻參數指標均滿足技術要求。

2.2強度仿真分析

水冷基板板面壓力分布不均勻將影響壓接式功率模塊安裝及其散熱效果，基于有限元分析法應用ANSYS軟件對水冷基板模型進行強度仿真分析。在水冷基板正反面垂向分別加載90kN應力，通過仿真計算，得到水冷基板表面變形量。水冷基板材質特性如表3所示。

圖4所示為強度仿真分布云圖，從強度仿真結果可以看出，水冷基板等效應力最大值為28.722 MPa，小于材質的屈服強度，因此水冷基板表面施加壓力后屬于彈性變形，并且水冷基板表面功率模塊安裝區域壓力分布均勻，說明此水冷基板方案設計滿足強度要求。

3試驗驗證

為了進一步確認產品的設計方案是否滿足技術要求，對水冷基板進行樣件試制，采用真空釬焊工藝進行焊接，對樣件進行熱性能試驗以及壓接試驗。

3.1熱性能試驗

如圖5所示，當冷卻液流量為6L/min時，在熱性能試驗臺進行熱性能試驗測試。應用溫度傳感器讀取冷卻液進口溫度，應用壓力傳感器讀取水冷基板進、出水口的壓力值，應用T型熱電偶監測水冷基板板面溫度進行數據記錄。

通過對試驗記錄數據進行整理和計算，性能試驗結果如表4所示。從表中可以看出，水冷基板熱阻為7.92℃/kW，小于9.3℃/kW;流阻為0.038 MPa，小于0.04 MPa，并且試驗測量結果與仿真計算結果接近，均滿足技術要求。

3.2壓接試驗

通過壓接工裝，將水冷基板與功率模塊壓接在一起，在功率模塊與水冷基板間放置富士感壓紙，施加90kN壓力，如圖6所示。富士感壓紙能夠直觀顯示出功率器件與水冷基板接觸面的壓力分布情況，壓接后的富士感壓紙壓力分布如圖7所示，整個區域分布均勻，說明水冷基板表面狀態滿足要求。

4結束語

大功率壓接式功率器件的應用需求逐漸提高，本文通過仿真計算和試驗測試對其冷卻用水冷基板的研究得出如下結論：

（1）通過仿真計算結果與試驗測試結果對比，說明仿真分析方法和結果可信，應用仿真計算可縮短設計周期和研發成本，有利于水冷基板的工程設計和優化改進;

（2）采用螺旋線結構流道設計的水冷基板散熱能力和可靠性滿足大功率壓接式功率器件的要求，解決了大功率壓接式功率器件冷卻用水冷基板的研制工作。