基于Fluent的散熱器熱仿真設計與試驗驗證

馬雅青，閆家益，余軍

（1.株洲中車時代電氣伯明翰研發中心，伯明翰B377YE，英國；2.株洲中車時代半導體有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

作為解決全球變暖、減少二氧化碳排放量的措施之一，電動汽車取代傳統內燃機汽車已經成為不可逆轉的趨勢[1]。作為電動汽車的核心部件，逆變器的可靠性將決定電動汽車的使用壽命，特別是由絕緣柵雙極型晶體管芯片（IGBT）損耗帶來的熱設計問題。在逆變器的設計階段，準確預測逆變器中的散熱器在冷卻液額定流速下的IGBT模塊結溫變化及出入口的壓力損失，將會對設計成功與否起到決定性作用。

目前，分析評估散熱器的散熱效率主要有兩種方式：試驗方法和計算流體力學（CFD）仿真方法。針對試驗方法，基本采用通過測量模塊熱阻、結溫溫度等來檢測散熱器的散熱能力。Xin等[2]提出了一種用于研究大功率IGBT模塊內IGBT 和二極管芯片之間的熱耦合效應的試驗方法。其中系統級熱阻是通過半橋、大功率IGBT 模塊內的單芯片加熱方法獲得的。隨后使用具有雙芯片加熱的附加方法來驗證前一種方法的有效性。最后，對有無熱耦合的IGBT和二極管芯片的結溫進行了分析比較。黃雙福等[3]對兩種型號半導體制冷片的熱端進行了試驗裝置設計，分析了熱端散熱工況對冷端溫度的影響。試驗結果表明，改善熱端散熱條件能夠提高單片半導體制冷片性能，同時在試驗測試的最佳散熱條件下采用分離電流輸入兩級制冷可使冷端溫度大幅降低。

由于計算流體仿真具有省時低耗、模型修改便利、利于結構優化等優點，其在散熱器結構設計中發揮越來越重要的作用。針對某型翅片平板熱管散熱器，陳善友等[4]利用計算流體力學仿真軟件對散熱器進行仿真對比仿真，發現非等長翅片構型的散熱效率優于等長翅片熱管散熱器。Mohammad等[5]采用計算仿真技術預測在初始設計中半導體器件的溫度。在COMSOL軟件中演示了根據有限元熱模型對精確熱阻參數的估計。并將具有溫度相關功率損耗模型的電氣模型與精細的熱模型耦合求解。結果表明，材料非線性、熱油脂層和冷卻邊界條件對準確預測IGBT 和二極管溫度的影響非常重要。所提出的模型與有限元分析結果一致，與試驗結果相比相差2%～6.5%。Mohanad等[6]使用共軛傳熱模型數值研究了帶三角形銷的傾斜開槽板翅式微型通道散熱器對層流對流傳熱和流體流動的影響。為了優化散熱器的水熱性能，對槽和銷的幾何設計進行了參數研究。該研究是通過改變傾斜槽的高度、槽的角度及銷相對于槽前緣的位置來進行的。CFD 結果表明，與55°傾角的全高度槽相比，努塞爾數和水熱性能因子分別提高了1.5和1.43。Yin Liming等[7]設計了一種帶有冷卻澆注T形冷卻液分配器的新型微通道散熱器。通過仿真數據表明，在相同條件下，與常規直管式微通道散熱器相比，流結構微通道散熱器的最高溫度降低了7.4 ℃，溫度均勻度提高了6.3 ℃，進出口壓力降低了近33 kPa。 新型結構微通道散熱器具有更好的散熱能力、更好的溫度均勻性和更低的壓降。

本文針對某款電動汽車散熱器設計，采用ANSYS Fluent 軟件進行仿真，首先將出入口的壓力損失與試驗對比，驗證了流體模型的可靠性。然后進行熱仿真分析，提取每個IGBT模塊的結溫，證明了設計的散熱器可以提供良好的降溫要求，滿足設計要求。

1 數值模型

1.1 流體模型

考慮到散熱器內部的菱形Pinfin結構及流體在散熱器內部旋轉流動、流動分離等現象，采用可實現的k-ε湍流模型[8]。其傳輸方程分別為：

1.2 材料屬性

數值模型主要由三部分組成，即散熱器殼體、IGBT模塊及冷卻液。其中，殼體材料為鋁合金6063；冷卻液為50%乙二醇水溶液；IGBT主要由襯板、墊片、焊料及芯片組成，其截面剖圖如圖1所示（包含模塊與散熱器之間的導熱硅脂）。

圖1 模塊剖面圖

仿真模型所需要的材料參數如表1所示。

表1 材料屬性參數

1.3 網格模型與邊界條件

散熱器由三部分組成，中間兩層總共布置8塊IGBT模塊。散熱器整體長寬厚分別為226 mm，41.2 mm 和36.6 mm。所有模型統一采用1 mm的網格長度以保證有效的網格密度。網格模型如圖2所示。節點個數總共為636 796，網格個數為2 304 392。按照產品設計規格書，冷卻液的入口流速為10 L/min，入口溫度為70 ℃。

圖2 網格模型

2 試驗驗證

流體模型的選擇將決定整個仿真是否準確有效的關鍵。本文先通過與試驗對比驗證流體模型。流體在散熱器中的壓力分布如圖3所示。

圖3 流體壓力分布圖

需要指出的是，在仿真設置中，將出口的壓力設為0，因而圖3中的壓力都是相對于出口的壓力值。從圖中可以看出，液體在3塊散熱器中的壓力分布相對一致，從而證明了散熱器能夠將冷卻液合理地分布在3塊散熱器片中，也為有效冷卻模塊奠定了基礎。

從軟件中提取了入口的面平均壓力并與試驗結果羅列到表2中。

表2 散熱器壓力損失對比

從表2可以看出，仿真結果的壓力損失21.3 kPa與試驗數據的20.8 kPa吻合良好，誤差約為2.4%。因此可以看出采用的可實現k-ε湍流模型可以準確地模擬出冷卻液在散熱器中的流動過程。借助于此模型，將進行模塊與散熱器的熱仿真分析。

3 結果與討論

IGBT模塊上芯片上的功率損耗是唯一的熱量來源。按照產品設計規格書，每個芯片上的功率損耗如表3所示。

表3 芯片功率損耗

其中芯片編碼中首數字為模塊編號，第二字母I代表IGBT芯片、D代表二極管，第三數字代表芯片編號。在Fluent軟件中，芯片的損耗功率是以功率密度，即功率與體積的比值，作為輸入值而非功率本身。采用SIMPLEC的壓力速度耦合方法，因其在計算封閉域流體上的優越性，同時收斂速度較快。

從圖4看出，隨著散熱器與模塊之間的熱交互作用，散熱器從入口端到出口端呈現溫度增加的趨勢。而上層散熱器相較于中層、下層溫度較低是由模塊的本身結構決定的。如圖1所示，芯片的位置位于模塊的底部，因此熱量也主要傳遞到中層與下層散熱器上。特別在#1和#5模塊接觸處，因其總體功率損耗最高，使得散熱器的表面溫度明顯增高，到達132.5 ℃。即使如此，此溫度也是在鋁合金6063可接受范圍內。

圖4 散熱器溫度分布云圖

由于#1模塊的最高功率損耗，因此以此為例說明熱量在模塊內部的傳遞，如圖5所示。從圖中可以看出，大部分的熱量從芯片所在的底部直接傳遞到散熱器上，而上部分的熱量傳遞較少，溫度也相對較低。最高的結溫155.4 ℃出現在IGBT芯片上。具體每個芯片的最高結溫如圖5所示。

圖5 #1模塊溫度分布云圖

圖6 芯片結溫

最高的IGBT芯片結溫發生在#1-I-2和#5-I-2上，其對應的功率損耗也是最高的298 W。同時，最高的二極管芯片結溫也發生在模塊#1和模塊#5上，其對應的功率損耗也是二極管芯片中的最高值92 W。從圖中還可以看出，雖然#5模塊與#6模塊有著相同的功率損耗值，但#6模塊上的芯片結溫統一比模塊#5上低。這是由于冷卻液流經模塊#6時，通過吸收其散出來的熱量，流體的溫度增加，再流經#5模塊時冷卻效果變差導致的，如圖7所示。

圖7 冷卻液溫度分布云圖

通過仿真結果可以看出，最高散熱器表面溫度為132.5 ℃，不會對鋁合金6063造成任何材料損傷。最高的冷卻液溫度85.5 ℃也在合理范圍之內。特別是最高的芯片結溫均低于模塊的額定值175 ℃。因此，散熱器可以滿足設計要求。

4 結論

本文借助于Fluent 軟件對某型散熱器進行了熱仿真分析，選擇可實現的k-ε湍流模型，采用SIMPLEC的壓力速度耦合方法及標準型初始化完成仿真設計。

1）仿真結果中散熱器的壓力損失與試驗結果誤差僅為2.4%，證明了湍流模型選擇的合理性及仿真設計的正確性，為接下來的熱仿真分析奠定了基礎；

2）散熱器表面的最高溫度、模塊的最高結溫均在設計要求范圍以內，說明散熱器的設計滿足設計要求；

3）借助于此仿真模型，可以在將來工作中對散熱器結構進行優化，進一步降低模塊的結溫，提高冷卻效率；

4）此次仿真模型同樣將適用于將來的散熱器設計工作，可以有效地降低試驗次數，節省開發成本，快速尋找設計缺陷。