一種“L 型”進(jìn)出口的IGBT 散熱水道優(yōu)化設(shè)計(jì)

譚亞敏，柴宏生，唐玉生，王雙全

（中國(guó)長(zhǎng)安汽車(chē)集團(tuán)有限公司上海馳驅(qū)智能控制技術(shù)分公司，上海 200040）

0 引 言

新能源汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模塊是其核心部件。IGBT 模塊具有輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)頻率高、載流能力大等特點(diǎn)，在其運(yùn)行中開(kāi)關(guān)的通斷會(huì)產(chǎn)生大量的損耗熱量，如果散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，那么積聚的熱量極易影響元器件的工作壽命、元件特性，甚至是熱擊穿失效產(chǎn)生炸管等事故，因此合理的散熱結(jié)構(gòu)對(duì)IGBT 模塊的安全運(yùn)行極其重要。目前，對(duì)于電機(jī)控制器散熱設(shè)計(jì)研究有單風(fēng)冷散熱器、風(fēng)冷+熱管散熱器、單水冷板液冷散熱器、水冷板+熱管散熱器、水冷+風(fēng)冷的散熱方式以及翅針的排布與結(jié)構(gòu)形狀等散熱研究，且大多是對(duì)平板級(jí)模塊的水道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)帶有Pin-Fin 結(jié)構(gòu)的IGBT 模塊散熱水道優(yōu)化方面較少，尤其是對(duì)于特定進(jìn)出口位置的研究較少[1-4]。結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例，針對(duì)某電動(dòng)汽車(chē)用150 kW電機(jī)控制器，在進(jìn)出口水嘴位置近“L 型”的位置使用IGBT HPD 模塊，通過(guò)熱仿真分析Pin-Fin 進(jìn)口連接處沉水槽導(dǎo)流角大小，Pin-Fin 與箱體間縫隙大小以及Pin-Fin 進(jìn)出與水道的連接方式對(duì)IGBT 芯片溫度及流阻的影響，結(jié)合水道流阻及散熱性能，選擇合適的散熱結(jié)構(gòu)，提高散熱水道性能。

1 散熱結(jié)構(gòu)

本文中電機(jī)控制器輸出功率為150 kW，IGBT 模塊為直接液冷的方式，水道結(jié)構(gòu)由于外在接口已定，進(jìn)水口位置垂直于IGBT 模塊長(zhǎng)度方向，出水口位置近IGBT 短邊位置，從水平俯視圖看進(jìn)出口位置成90°夾角，近似“L”形狀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)L 型進(jìn)出口水道），整機(jī)控制器模型如圖1 所示。冷卻液由水道進(jìn)水口進(jìn)入，先經(jīng)過(guò)薄膜電容底部，后流入IGBT 底部，經(jīng)IGBT 模塊正下方的Pin-Fin 結(jié)構(gòu)后流出，Pin-Fin完全浸在冷卻液中直接冷卻。

圖1 整機(jī)控制器模型

為了便于后續(xù)分析，將IGBT 芯片根據(jù)水道流入方向進(jìn)行命名，IGBT1、IGBT4 位于Pin-Fin 流道流入位置，IGBT15、IGBT18 位于Pin-Fin 流道流出位置，且三相輸出端子分別為U 相、V 相、W 相端子，如圖2 所示。

圖2 IGBT 模塊pin-fin 結(jié)構(gòu)

2 仿真分析

2.1 模型簡(jiǎn)化

文章主要考慮IGBT 散熱分析，暫不分析薄膜電容散熱，因此在仿真計(jì)算前，簡(jiǎn)化仿真模型，去除印刷電路板（Printed Circuit Board，PC）板組件、螺栓、薄膜電容、母排及接線座等零部件，對(duì)控制器箱體及IGBT 模塊進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型如圖3 所示。

圖3 控制器IGBT 簡(jiǎn)化模型

2.2 網(wǎng)格剖分

在進(jìn)行仿真計(jì)算前需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，先分別對(duì)IGBT 模塊中芯片、焊錫、DCB-上下銅片、DCB 中間SI3N4結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格尺寸定義（見(jiàn)表1），再對(duì)與冷卻液直接接觸的IGBTPin-Fin 結(jié)構(gòu)和水嘴結(jié)構(gòu)網(wǎng)格加密。劃分后網(wǎng)格數(shù)量為31 377 963 個(gè)，其中流體單元數(shù)為2 598 509 個(gè)。

表1 網(wǎng)格尺寸定義

2.3 邊界條件與工況

冷卻液采用50%乙二醇，入口溫度為60 ℃，流量為8 L/min，環(huán)境溫度為85 ℃，根據(jù)流道入口條件估算雷諾數(shù)Re=7724，計(jì)算類(lèi)型為湍流模型。

IGBT 損耗包含IGBT 單元損耗和體內(nèi)二極管FWD 單元損耗，IGBT 和變頻器控制端子（Forward，F(xiàn)WD）單元損耗各自又包含導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)電機(jī)在SVPWN 控制模式下旋轉(zhuǎn)時(shí)，二極管導(dǎo)通損耗不考慮。以控制器150 kW 峰值工況為例，進(jìn)行求解計(jì)算，即輸出相電流有效值為390 A，開(kāi)關(guān)頻率為6 kHz，單橋臂IGBT 單元損耗為592.9 W，單橋臂FWD 單元損耗為86.57 W，IGBT 模塊總損耗為4 076.82 W。液冷中IGBT 模塊的瞬態(tài)熱響應(yīng)時(shí)間極短，量級(jí)為秒級(jí)，因此仿真中均采用穩(wěn)態(tài)分析計(jì)算。

2.4 結(jié)果分析

經(jīng)求解計(jì)算，初版方案IGBT 芯片溫度最大值為129.4 ℃，如圖4 所示。IGBT 芯片溫度最大值隨著冷卻液流動(dòng)的方向逐漸升高，位于W 相即靠近出水口的位置處的IGBT14 芯片溫度最高，W 相上橋臂IGBT 芯片溫度比下橋臂芯片溫度高1.7 ℃左右，導(dǎo)致W 相芯片溫度明顯高于U、V 兩相的芯片溫度，因此合理的設(shè)計(jì)進(jìn)出Pin-Fin 處的連接結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

圖4 不同位置的IGBT 芯片溫度曲線

圖5 結(jié)構(gòu)示意

3 優(yōu)化方向

根據(jù)初始方案的仿真結(jié)果，從以下3 個(gè)方向分析其對(duì)芯片溫升及流阻的影響（見(jiàn)圖5）。一是在Pin-Fin 進(jìn)出口位置添加沉水槽結(jié)構(gòu)，優(yōu)化沉水槽與Pin-Fin 連接角大小，如圖5（a）所示；優(yōu)化Pin-Fin 與箱體間的縫隙大小，如圖5（b）所示；彎道與Pin-Fin 進(jìn)水處的連接方式設(shè)計(jì)，如圖5（c）所示。

3.1 沉水槽結(jié)構(gòu)

在水冷板Pin-Fin 前后適當(dāng)增加沉水槽結(jié)構(gòu)，使進(jìn)入Pin-Fin 的冷卻液先將沉水槽蓄滿后流入Pin-Fin 底部，從而使流道內(nèi)流速更均勻，進(jìn)而降低IGBT芯片各相間溫差，減少溫度最大值。但是，沉水槽的過(guò)渡角度α的大小對(duì)流道上芯片的溫度及流阻的影響未知。在Pin-Fin 與箱體間縫隙0.3 mm 的情況下，設(shè)計(jì)了不同α 大小的沉水槽方案，沉水槽的尺寸設(shè)計(jì)為H=12.8 mm、h=6.8 mm、X=6 mm，α角度分別選取0°、15°、30°、45°、60°以及75°這6 種方案。

通過(guò)仿真計(jì)算，不同過(guò)渡角度α方案的芯片溫度最大值均位于IGBT14 位置，如圖6 所示；隨著過(guò)渡角α由0°增大到75°，IGBT 芯片溫度最大值先減小后增大，當(dāng)過(guò)渡角α為15°和30°時(shí)芯片整體溫度最低，隨著過(guò)渡角由0°增大至75°時(shí)水道流阻振蕩下降，過(guò)渡角在15°～45°流阻相差不大，當(dāng)過(guò)渡角超過(guò)60°時(shí)，流阻數(shù)值急劇下降，如圖7所示；當(dāng)過(guò)渡角≥60°時(shí)，溫度明顯升高。綜合流阻和散熱分析，沉水槽與Pin-Fin 間的過(guò)渡角推薦15°～30°。

圖6 不同過(guò)渡角度不同位置的IGBT 芯片溫度隨過(guò)渡角度變化對(duì)比曲線圖

圖7 IGBT 結(jié)溫最大值和水道流阻隨過(guò)渡角度變化曲線圖

3.2 Pin-Fin 與箱體間的縫隙

Pin-Fin 與箱體間的縫隙會(huì)直接影響流道流阻大小及流速，流速大小進(jìn)而會(huì)影響IGBT 芯片溫度。先分別將Pin-Fin 與箱體間的縫隙取0 mm、0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm、1 mm 以及1.5 mm，在上一步α=15°的方案基礎(chǔ)上通過(guò)仿真分析此處縫隙的大小對(duì)流道流阻及IGBT 溫升的影響。

通過(guò)仿真計(jì)算，當(dāng)Pin-Fin 與箱體間的縫隙由0 mm 增至1.5 mm，IGBT 芯片溫度最大值均位于IGBT14 位置，如圖8 所示；IGBT 芯片溫度最大值隨著縫隙的增大而增大，水道流阻隨著縫隙增大而減小，如圖9 所示；0 mm 縫隙加工難度較高，因此推薦此處縫隙取值為0.25 mm。

圖8 不同縫隙下IGBT 各芯片位置的溫度對(duì)比圖

圖9 不同縫隙下IGBT 結(jié)溫最大值和流道流阻曲線圖

3.3 彎道與Pin-Fin 進(jìn)水處的連接方式

冷卻液進(jìn)去水嘴后，經(jīng)L 彎道進(jìn)去IGBT 模塊的Pin-Fin 流道內(nèi)，現(xiàn)在沉水槽過(guò)渡角度15°，Pin-Fin與箱體縫隙0.25 mm 的基礎(chǔ)上改變Pin-Fin 進(jìn)水處的連接方式，對(duì)比直接連接與側(cè)面連接（見(jiàn)圖10）對(duì)IGBT 模塊芯片及流道流阻的影響。

圖10 彎道與Pin-Fin 進(jìn)水處的連接方式示意

通過(guò)仿真計(jì)算，Pin-Fin 進(jìn)口處直接連接與側(cè)面連接的芯片溫度趨于一致，相同位置的芯片溫度幾乎無(wú)變化，如圖11 所示。因此，Pin-Fin 進(jìn)出口位置設(shè)計(jì)沉水槽結(jié)構(gòu)對(duì)其連接方式較為友好，為后續(xù)平臺(tái)化水道設(shè)計(jì)提供便捷的思路。

圖11 不同連接方式下IGBT 溫度對(duì)比圖

3.4 可承受最大損耗

根據(jù)仿真結(jié)果提取結(jié)-冷卻液間的熱阻來(lái)估算其允許的最大功耗[5]。同時(shí)，根據(jù)仿真分析結(jié)果選擇水道結(jié)構(gòu)為沉水槽過(guò)渡角15°，Pin-Fin 與箱體間縫隙為0.25 mm。此時(shí)，結(jié)溫最大溫度為126.8 ℃，冷卻液進(jìn)出口平均溫度64 ℃。當(dāng)IGBT 結(jié)溫限高點(diǎn)為150 ℃時(shí)，可估算能承受的損耗約5 580 W。在同一水道的工程應(yīng)用中可利用此方法快速的估算不同工況下此模塊結(jié)溫，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。結(jié)-冷卻液間熱阻Rjf公式為

式中：?Tjf為結(jié)溫與冷卻液進(jìn)出口平均溫度差；P為模塊總損耗；Rjf為結(jié)至冷卻液間熱阻。利用式（1）計(jì)算得到結(jié)-冷卻液間熱阻Rjf為0.015 404 ℃/W

4 結(jié) 論

文章從IGBTPin-Fin 進(jìn)出水位置的過(guò)渡角度、Pin-Fin 與箱體間的縫隙以及L 型進(jìn)出水道與Pin-Fin進(jìn)出位置的連接方式3 個(gè)方向入手分析，利用仿真軟件對(duì)不同方案的IGBT 芯片溫度與散熱水道流阻數(shù)值模擬，總結(jié)了IGBTPin-Fin進(jìn)出水位置過(guò)渡角度大小，Pin-Fin 與箱體間縫隙大小及Pin-Fin 進(jìn)出水位置的連接方式對(duì)IGBT 芯片溫度及水道流阻的影響規(guī)律，最后根據(jù)推薦水道（過(guò)渡角度15°，Pin-Fin 有箱體間縫隙0.25 mm）進(jìn)行可承受最大模塊損耗進(jìn)行估算，為后續(xù)同類(lèi)平臺(tái)化產(chǎn)品的散熱水道設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。