牽引變流器中IGBT 模塊的高效熱管冷卻系統設計?

冉婭東 鄭慶祥 金積德?

(1.武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學汽車零部件技術湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430070)

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管)具有體積小、功率高，熱流密度大等特點[1]。而溫度是影響其壽命的重要因素[2]，高溫易導致其內部出現老化、失效等故障[3－5]。因此，對模塊進行高效散熱十分重要。

目前，IGBT 模塊的常規散熱方式主要是強迫風冷、液冷散熱等。風冷散熱系統經濟、安全，但主要適用于小功率IGBT 模塊，且散熱能力提升有限。液冷散熱系統雖散熱高效，但需配備完整的液冷管路等裝置，增加了散熱系統的重量、體積、成本及可靠度等疑慮[6－8]。近年來，熱管作為一種在電子芯片散熱領域應用廣泛的高效導熱器件，其具有傳熱快、導熱量大、可靠性高等優點[9]，若將之與強制風冷機制結合并合理運用于IGBT 模塊，則能夠在有效解決模塊散熱問題的同時兼備經濟高效、重量輕、安全可靠等特點，因此如何提高熱管散熱器的散熱性能至關重要。目前，IGBT 模塊用熱管散熱器其散熱性能的提升主要集中在熱管外形的改造及翅片的結構設計。文獻[10－11]提出的熱管散熱器結構是采用常規做法將經折彎、打扁的熱管嵌入一體成型的散熱器基座中，以通過增加基板的傳熱量及均溫性來提高散熱器的散熱性能。文獻[12－13]通過對翅片進行開孔、添加針翅等方式，以增加單個翅片的散熱面積來提高傳熱量。文獻[14－16] 通過對熱管的蒸發腔室進行改進來提升散熱器整體的傳熱性能。文獻[17]則是通過在IGBT 模塊與散熱器基座之間添加平板微熱管的方式對散熱模組進行了改進。

上述散熱器的設計，雖然能夠在一定程度上提升其散熱性能，但亦受成本、加工難度、散熱體積等因素綜合制約。對于熱管嵌入散熱器基板的結構形式，翅片導熱熱阻的存在使溫度在其高度方向上分布差異較大，導致翅片均溫性不佳，而具有良好均溫性的翅片可提高模組的散熱效率，同時克服徒增翅片散熱面積所帶來的大體積重量等問題。此外，對熱管進行折彎、打扁等外形處理方式也會在一定程度上降低其傳熱性能。因此，如何在設計上盡可能保有熱管的最大效應，以及該以何種布置方式讓翅片均溫性最優化，以達到最佳散熱效率成了關鍵的課題。鑒于目前文獻中以通過提升翅片均溫性的方式來提高散熱器的散熱性能未做深入研究，本文結合工程應用實例，以某磁浮列車牽引變流器中的IGBT 模塊為研究對象，設計了一款翅片具有良好均溫性的熱管分層嵌入式散熱器，并對其進行了數值模擬，進而驗證了該散熱器的散熱可行性。

1 新型散熱模組設計

本研究所探討的磁浮列車牽引變流器其功率器件采用英飛凌(Infineon)公司生產的IGBT 模塊(型號為FZ1500R33HE3)，熱損耗為1 650 W。列車的每組電機(三相，負責將電能轉變成機械能驅動列車運行)需配備3 個模組，共計12 顆IGBT 模塊，每個模組包含4 顆此模塊，且需在有限的空間內進行驅動。因此，單個模組的散熱設計需要在420 mm×370 mm×120 mm 的空間內對6 600 W 的熱量進行有效散熱。

圖1 為針對單個模組所設計的一種新型的熱管分層嵌入式散熱器結構(以下簡稱新型模組)，單個翅片尺寸為370 mm×106 mm×0.5 mm，相鄰翅片中心間距2.4 mm，用于對4 個IGBT 模塊進行有效散熱。IGBT 模塊與散熱器之間以銅底板連接，銅板尺寸為420 mm×370 mm×12 mm，兩側未經打扁的U型結構熱管分別穿插在銅底板下緣及翅片間，可使芯片傳至銅底板的熱量經由熱管的分層(雙層)布置結構均勻分布至翅片散熱器，讓散熱器均溫性最優化，可進一步提高模組的整體散熱效率。

圖1 新型模組結構

為驗證新型模組的散熱性能，基于目前常規熱管與散熱器常見的結合方式，建立了如圖2 所示的傳統熱管散熱器結構(以下簡稱傳統模組)，以進行對比分析。其中，翅片與散熱器基板采用一體成型結構，熱管被適度打扁并被嵌入進散熱器基板。

圖2 傳統模組結構

2 數值模擬

2.1 CFD 數學模型

熱量傳遞方式包含熱傳導、熱對流與熱輻射三種。由于采用強制風冷，且模組通過熱輻射傳遞的熱量較少，故忽略重力及輻射換熱，且將空氣視為理想氣體。基于以上假設，根據質量守恒、動量守恒和能量守恒定律建立的流體CFD 數學模型如下:

(1)質量守恒方程

式中:ρ為流體的密度，kg/m3；t為時間，s；ux、uy和uz為流體在x、y、z三個方向上的速度分量。

(2)動量守恒方程

式中:p為流體壓強，Pa；X、Y、Z分別為單位質量流體的體積力在x、y、z方向上的分量；ν為流體的運動粘度，m2/s；ν?2ux、ν?2uy、ν?2uz分別為流體在x、y、z方向受到的粘滯力。

美國體育課程目標設置，盡管各學段表述方式上有所不同，但都是要通過體育促進學生在身體、認知、社會以及情感四個方面的發展，致力于培養“具有身體素養的人[6]”。美國2014年新修訂的《K-12體育教育國家標準和年級結果》(SHAPE America Society of Health and Physical Educators, 2014)明確了為終生健康體育活動做準備，學生應知和應會的身體素養[7]。

(3)能量守恒方程

式中:dU/dt為流體微元內能增長速率，J/s；k為導熱系數，W/(m·K)；T為溫度；q為單位體積流體生成的熱速率，J/(m3·s)；?為單位體積流體產生的摩擦熱，J/(m3·s)。

2.2 幾何模型的簡化

通過Creo 軟件建立原始的三維模型，并導入FloMCAD 進行模型的簡化。由于倒角、小孔等微小特征對仿真結果影響不大，但會大大增加仿真計算量，因此可直接去除。

典型的IGBT 模塊其內部芯片涉及多層封裝，且各層的材料尺寸及屬性不一致，建立完整的模型較為復雜。因此結合說明手冊的芯片熱阻信息，建立如圖3 所示的IGBT 模塊簡化模型，在各芯片與基板之間直接賦予熱阻值。

圖3 IGBT 模塊簡化模型

2.3 網格劃分及檢查

網格的好壞直接影響數值計算結果，在保證計算精度的情況下數量需合理，避免數量過大而增加計算成本，同時又不可忽略小尺寸部件網格的劃分。由于模型為復雜的裝配體，翅片及芯片的厚度較小，需對其施加局域網格，保障翅片及芯片的厚度方向至少有兩層網格。風扇、翅片的流體進出口處需設置膨脹網格并適當增加網格密度，用于詳細描述該位置變化較快的參數，同時減少殘差積累。Flotherm軟件中均采用正交網格，評判網格質量的標準主要是網格的最大長寬比，且小于20 較為理想。模型網格劃分的數量為1 020 萬個，且最大長寬比為14.6，滿足小于20 的要求。

2.4 邊界條件設置

散熱模組在限制的空間內運行時，其散失的熱量同時會使其運行的環境溫度上升，保守情況下，設定環境溫度為45 ℃。對于IGBT 模塊，忽略其內部小元器件發熱，假設熱量全部集中在IGBT 芯片與續流二極管FWD 上，為保障模塊安全運行，按產品說明書內容，此模塊的操作條件必須將芯片結溫控制在125 ℃之下，同時保持一定的溫升余量，此外，模塊底板的底面溫度不超過90 ℃為佳[18]。熱管內部由于涉及復雜的相變傳熱，難以數值模擬其相變過程，將其近似為一根具有高導熱系數的金屬材質，導熱系數取K＝15 000 W/(m·K)[19]。散熱器、銅板、IGBT 模塊底板及界面材料等采用表1 中的參數進行設置。

表1 材料參數

為對翅片的均溫性進行研究，進行了翅片溫度測點位置的布置，如圖4 所示。

圖4 翅片溫度測點分布圖

3 仿真結果對比分析

新型模組與傳統模組所設置的邊界條件均相同，并通過研究IGBT 熱源、翅片的溫度場，模組的壓力場及散熱器的最大熱阻來分析其散熱性能。

3.1 翅片表面溫度場分析

由于散熱器翅片數量較多，無法對每個翅片單獨進行分析，因此選取了風速為10 m/s 時，兩種散熱模組中相同位置的單個翅片進行分析，其溫度分布云圖如圖5 所示。

圖5 翅片溫度分布云圖

圖5 中(a)、(b)分別為新型模組、傳統模組的翅片溫度分布云圖，翅片左側為進風口，上部為熱源端。翅片溫度分布均表現出右上方區域較高，左下方區域較低的現象。這是因為在進行強制風冷時，空氣在翅片間的流道中會隨著距離拉長逐漸被加熱，導致下游的空氣其冷卻效果降低。此外，由于翅片高度較大，增加了導熱熱阻，使得熱量在翅片高度方向上傳遞阻力較大，溫度分布不均勻，熱量趨于集中在翅片上部，出現熱累積現象。對比兩種結構，(a)中翅片整體溫度分布較(b)均勻，且溫度最大值降低了16.4 ℃，說明新型模組能夠在一定程度上減小傳統模組存在的翅片熱累積現象。

圖6 為兩種模組的翅片其測點溫度分布圖，從測點位置分布可以看出，傳統模組的翅片其溫差變化最大的位置主要在上行與中行之間，而新型模組的翅片則是減小了這種變化程度，且在各行之間各測點的溫差更小，分布位置相對傳統模組更集中，說明新型模組翅片具有更好的均溫性能。

圖6 翅片測點溫度分布圖

上述是從直觀角度觀察翅片溫度的分布，引入溫度均勻性系數[20]進行定量分析，定義如下:

式中:λ為溫度均勻性系數，其值越小，表示溫度分布越均勻。ˉT為測點溫度的平均值，℃；δ為測點溫度的標準差，計算公式如下:

圖7 為兩種模組結構的翅片在不同的風速下，其翅片溫度均勻性系數隨風速的變化趨勢。由數據分析可知，翅片的溫度均勻性系數均隨著風速的增加而不斷降低，表明風速越大時，翅片的均溫性越好，這是由于風速加大時，單位時間內通過流道的風量增加，攜帶走的熱量也會更多，同時由于空氣通過流道的時間變短，空氣被加熱的程度較低，因而對翅片下游的冷卻效果較低風速時更好，翅片的均溫性能得到相應的提高。同時可以看出，兩種模組的翅片在各風速下，新型模組的翅片都展現出了更好的均溫性能。

圖7 翅片溫度均勻性系數隨風速的變化

3.2 IGBT 熱源表面溫度場分析

由于散熱模組為對稱結構，因此對兩種模組其右半邊的IGBT1 與IGBT2 進行分析。圖8 為風速為10 m/s 時所對應的IGBT 熱源溫度分布云圖。分析可知，兩種模組結構中，IGBT2 的溫度整體明顯高于IGBT1，且芯片溫度最大值也分布在IGBT2 中，其原因與翅片溫度分布情況相同，且符合一般傳熱規律。在新型模組結構下，熱源最高溫度為89.1 ℃，比傳統模組的熱源溫度最大值106 ℃降低了16.9 ℃。

圖8 IGBT 熱源溫度分布云圖

圖9 為兩種模組結構的IGBT 芯片溫度最大值、IGBT 模塊底板的底面溫度最大值隨風速的變化趨勢，由圖中可以看出，兩者均隨著風速的增加而降低，且新型模組的芯片溫度最大值均低于傳統模組。結合圖7 進行分析，在各風速下，翅片均溫性更好的新型模組展現出了更好的散熱性能。此外，對于IGBT 模塊底板的底面溫度而言，新型模組在設置的風速下均低于傳統模組，且小于90 ℃，說明新型模組的設計符合散熱要求。

圖9 各溫度最大值隨風速的變化

3.3 散熱器最大熱阻分析

散熱器的最大熱阻可以作為評價散熱器散熱性能的指標，其值越低表明散熱器的散熱性能越好，計算公式如下[14]:

式中:Rmax為散熱器的最大熱阻，℃/W；Ts－max、Ta分別為散熱器表面的最大溫度及環境溫度，℃；P為熱源的熱損耗，W。

圖10 為兩種模組結構在不同風速下其散熱器的最大熱阻隨風速變化的趨勢。從圖中可看出，新型模組散熱器的最大熱阻值在不同的風速下均低于傳統模組，且平均降低34%，說明新型模組散熱器的傳熱阻力更低，散熱性能更佳。

圖10 最大熱阻隨風速的變化

3.4 模組進出端壓力分析

圖11 為兩種模組在不同風速下，其進出風口壓降的變化曲線圖。可以看出，兩種模組其進出風口壓降均隨著風速的增加而不斷上升，且新型模組結構的壓降明顯大于傳統模組結構。這是因為傳統模組的翅片流道內由于沒有熱管橫穿，對空氣的流動沒有阻礙作用，而新型模組結構則在翅片流道內橫穿了兩層熱管，對空氣流動的阻力加大，進而壓降更為明顯。因此，新型模組散熱性能的提升是以增大系統壓降為代價，在保證芯片及模塊底面溫度符合要求的情況下，適當的降低風速或者提高風壓都能夠在一定程度上減小這種不利影響。

圖11 壓降隨風速的變化

4 結論

本文結合熱管設計了一種新型的熱管分層嵌入式散熱器，能有效改善傳統模組存在的翅片均溫性不佳等問題，并基于Flotherm 軟件分析了新型模組的翅片及熱源的溫度場、模組的壓力場及散熱器的最大熱阻值在不同風速下的變化情況。在與傳統模組進行對比和驗證后，可得到以下結論:

(1)新型模組同時滿足使芯片的最高溫小于125 ℃，模塊底板底面的最高溫小于90 ℃的要求，且兩者的最高溫均隨著風速的增加而降低，說明所設計的新型模組滿足使用要求。

(2)新型模組的翅片溫度均勻性系數及相對應的芯片溫度最大值在不同風速下均低于傳統模組，且散熱器的最大熱阻平均降低34%，說明新型模組的翅片均溫性更好，其模組的散熱性能較傳統模組更突出。

(3)新型模組進出風口的壓降隨風速的增大而增加，且由于翅片流道內熱管的橫穿，其壓力降低的程度大于傳統模組。

(4)設計的新型模組對牽引變流器功率器件的散熱具有一定的普適性，同時可為今后熱管散熱器的設計及改進提供指導。此外，新型模組其翅片流道的風阻較大，可在后期工作中做進一步優化。