一种IGBT 接触热阻的估算方法

王淑旺，胡俊明，赵卫健，孙纯哲

(1.合肥工业大学，合肥230009;2.安徽巨一自动化装备有限公司，合肥230009)

0 引 言

随着能源危机的加剧和环境压力的增加，高效节能的电动汽车已成为各国研究的热点［1］。在纯电动汽车电驱动系统的研究中发现，电机控制器的关键模块IGBT(绝缘栅双极型晶体管)由于内部元器件集成度高，从而在工作时耗散功率大、发热高，在极端情况下容易烧毁［2］，严重影响到了控制器的可靠性和稳定性，同时IGBT 模块成本居高不下，成为目前产品的一个瓶颈，因此改善控制器的散热性能成为设计人员必须重点关注和亟待解决的问题。

由于传统理论分析方法费时费力，基于CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)软件，利用计算机强大的计算能力对特定空间内的温度场与速度场进行数值仿真计算成为当前研究传热问题的趋势［3］。而在对控制器进行热仿真与优化之前，需建立准确的热仿真模型，其中接触面导热硅脂涂层热特性不确定，需对其热阻进行估算。接触热阻与接触面的表面粗糙度、两表面间的压力、接触面的硬度等因素有关。文献［4］给出了平板接触面的接触热阻计算公式，文献［5］给出了在无压力情况下两接触表面间接触热阻的近似计算方法，吴登倍等人对接触热阻进行了实验与数值模拟［6］。本文通过FLUENT 软件采用黑匣子逼近试算的热仿真分析方法来确定接触面的接触热阻，最终得到了合理值。

1 研究对象及研究方法

本文基于某型电动汽车电驱动系统，控制器散热器采用压合式散热器。在额定工况(3 000 r/min、60 N·m)下，控制器的主要热源为IGBT 模块，其耗散功率约为650 W。为此使用风扇强迫风冷的散热方式。

考虑到IGBT 本身结构的复杂性，及接触面导热硅脂涂层热特性的不确定性，故本电机控制器IGBT热仿真模型采用“黑匣子”模型，具体如图1所示。即在IGBT 与散热器之间布置一平板，并假设其厚度为5 mm，导热系数待求。

图1 “黑匣子”热仿真模型

在热仿真过程中，通过对黑匣子的导热系数进行一定范围内的逼近试算法模拟分析，并与实验数据进行对比，寻找合适的黑匣子导热系数。

2 仿真结果与实验验证依据的确定

电机控制器温度的实测结果包括埋藏在IGBT内部热源附近的NTC 测点温度、散热器底板局部测点温度和散热器外侧布置的局部测点温度。

根据IGBT 的结温Tj计算方法［7］，亦NTC 测量的温度Tt大约比散热器温度高10℃，即:

式中:Tt为NTC 测量的温度，℃;Tj为IGBT 的结温，℃;Pmax为IGBT 的散热功率，W;Rthjc为IGBT 模块的结壳热阻，℃/W。

按照额定工况下压合散热器散热实验结果，Tt=45℃，Pmax=650 W，根据IGBT 特性查询，Rthjc=0.12 ℃/W，故:Tj=113℃。

考虑到电机控制器的IGBT 及散热器布置的非对称性，对比实验测得的温度值及通过计算获得的结温Tj，在热仿真逼近试算过程中，采取结温为主要对比依据数据，散热器其余温度为辅助对比数据。

图2 为压合散热器实验测量的IGBT 温度Tigbt和散热器底板测点温度Tsink，以及计算获得的结点温度Tj。本次逼近试算过程中以实验稳定后的结点温度Tj(113℃)为主要判断依据，以散热器底板测点温度Tsink(31℃)为辅助判断依据进行判断。

图2 压合散热器实验测量温度

3 热仿真分析过程

3.1 仿真模型的建立

采用在FLUENT 中建模的方法，散热器的材料为铝合金6063－T5。具体尺寸:外部尺寸(L ×W×H)240 mm×230 mm×100 mm，基座板厚度21 mm，散热片厚度1 mm、片数36 片、间距5. 5 mm，顶部板厚度10 mm。风扇的特性参数为风量138 m3/h。所建立的模型如图3 所示。

图3 电机控制器热设计物理模型

3.2 黑匣子导热系数的逼近试算过程

逼近试算的过程是对黑匣子导热系数不断进行修正的过程。其流程图如图4 所示。

图4 流程图

当黑匣子导热系数取100 W/(m·K)时，热仿真得到的热源温度最高值为65.9℃，如图5(a)所示，明显小于通过计算得到的IGBT 结温。为了升高热仿真得到的热源温度最高值，需降低黑匣子导热系数。

当黑匣子导热系数取50 W/(m·K)时，热仿真得到的热源温度最高值为82.7℃，如图5(b)所示，也小于通过计算得到的IGBT 结温。为了升高热仿真得到的热源温度最高值，仍需降低黑匣子导热系数。

当黑匣子导热系数取30 W/(m·K)时，热仿真得到的热源温度最高值为104.5℃，如图5(c)所示，与计算得到的IGBT 结温相差8.5℃。

最终，取黑匣子导热系数为26 W/(m·K)时，热仿真得到的热源温度最高值为113.3℃，如图5(d)所示，与实验计算得到的IGBT 结温相差0.3℃。

图5 不同黑匣子导热系数时的结点温度

至此，可以认为获得了合适的黑匣子模型的黑匣子导热系数，取值26 W/(m·K)。

另外，当黑匣子导热系数取26 W/(m·K)时，散热器基座板温度分布如图6(a)所示，与实验对应的测点温度为33.1℃，该值与实际散热器底板测点温度31℃相差2.1℃，误差为6.7%。考虑到其是次要判断依据，可以认为满足要求。

同时，散热器侧板温度分布如图6(b)所示，其底板侧壁温度28.3℃，散热片测点温度23.1℃，该两个测点实验测量结果依次为31℃、22℃，基本吻合。

图6 黑匣子导热系数取26 W/(m·K)时散热器温度分布

综上，通过一系列黑匣子逼近试算，可确定黑匣子的导热系数取26 W/(m·K)较为合适。

4 结 语

本文针对电机控制器的大功率电子模块IGBT模块，研究了其与散热器之间的接触热阻问题，通过建立黑匣子模型，实验与仿真值对比不断逼近试算的方法，最终得出了黑匣子合适的导热系数，并仿真验证了数值的合理性。由此明确了电机控制器的热仿真模型的关键因素，方便了进一步的散热分析和结构优化。

［1］ 陈清泉，孙逢春，祝嘉光. 现代电动汽车技术［M］. 北京:北京理工大学出版社，2002.

［2］ 刘焕玲，邵晓东，贾建援，等.计算机芯片的散热研究［J］.电子机械工程，2005，21(3):15－17.

［3］ 李贵.滑移装载机动力舱热仿真与热分析［D］. 南京:东南大学，2010.

［4］ 沈军，马骏，刘伟强.一种接触热阻的数值计算方法［J］. 上海航天，2002(4):33－36.

［5］ AL－ASTRABADI F R，O＇CALLAGHAH P W，PROBERT S D.Effects of surface finish on thermal contact resistance between different Materials［C］//AIAA 14th Thermophysics Conference，Orlando，US.1979:1065.

［6］ 吴登倍.接触热阻实验与数值模拟［D］.北京:北京交通大学，2011.

［7］ Infineon Technologies. Calculation of Major IGBT Operating Parameters［R］.Infineon Application Notes，1999.