基于正交分析法的功率模块散热器的数值研究

贾艳玲，李华君，毛志云，王 艳

(许继柔性输电系统公司，河南 许昌461000)

0 引言

随着技术的进步，风电、光伏等新能源产业也向着大功率方向发展，大功率模块得到越来越广泛的应用。由于电子技术的快速发展，功率模块中的电子器件也向体积越来越小，功率密度越来越高发展，功率模块的运行状态直接影响整个系统的可靠性，因此有效地提高功率模块的散热是至关重要的问题［1，2］。一般来说，功率模块的电子器件发热量都很大，采用自身自然冷却很难满足散热要求，这就需要加装散热器，采用强迫风冷的方式来冷却功率模块。在尺寸一定的情况下，如何优化选择合适的散热器，能达到最佳的散热效果非常重要［3，4］。

本文研究的是SVG 的功率模块，该模块采用空气强制对流，翅片式散热器。结合整体的布置，风速和风向一定。散热器的散热效果主要受翅片厚度、高度、间距和倾角的影响，影响散热器散热能力的因素较多，很难采用理论或者实际试验的方法判断散热器的散热能力［5～7］。本文主要是在数值模拟的基础上，采用正交试验的方法，分析各因素对散热器的散热效果的影响，得出最佳的散热器选择。

1 功率模块的物理模型

根据实际柜子布置和需求，功率模块散热空间如图1 所示，其中散热器的尺寸为350 ×284 ×96 mm，为铝制散热器。y 轴正方向为冷却介质风的入口，入口速度为8 m/s，y 轴负方向为出口。散热器主要是对两个IGBT 进行散热，每个IGBT的热量约为1 600 W。

图1 功率模块模型

2 正交试验方法及其应用

正交试验方法是利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法。它是从试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验，通过对这部分试验结果的分析了解全面试验的情况，找出最优的水平组合［8，9］。可用相应的极差分析方法、方差分析方法等对试验结果进行分析得到很多有价值的结论。如:各因素对所考查指标影响的大小顺序;主要因素与指标的关系等。

本文主要考虑散热器的翅片厚度、长度、间距和角度等4 个因素对其散热效果的影响，因此正交表确定为四因素的，而各因素水平数量的确定应满足正交试验的原则，结合预试验的分析，选取的四因素为三水平，各因素水平见表1。

表1 各因素水平

本文试验中，采用L9(34)只需做9 次试验就可以全面分析安排试验，反应出各因素与指标之间的关系，故本文选用L9(34)。

3 正交试验及数值模拟

3.1 数值模拟结果

根据正交试验的原理，采用数值模拟的方法，按表2 所安排的试验方案进行模拟，得到的结果如图2 所示。

3.2 正交试验结果及分析

根据图2 模拟结果，可以得到相应的正交试验结果见表2。最后用极差和方差分析方法对正交表进行分析，具体分析结果见表3。

表2 试验方案和结果

图2 IGBT 温度分布图

由表2 数据分析发现以1，3，4 号试验的IGBT表面温度最低，达64 ℃，相应的水平组合为(1．A:90°;B:4 mm;C:3 mm;D:70 mm。3．A:90°;B:8 mm;C:5 mm;D:90 mm。4．A:80°;B:4 mm;C:4 mm;D:90。)是在分析数据时IGBT表面温度最低的3 种组合。但是这3 种组合表面高温区域也存在一定的差异，1 号试验的高温度区域相对较小。在此分析中，诸因素对应的影响有主次之分，这个主次关系可用极差(R)来表达(如表3)，A，B，C，D 4 个因素的极差分布为16，8，11，18，由此可以判断它们对散热效果的影响排序为D，A，C，B，即翅片高度、翅片倾斜角度、翅片间距、翅片厚度。

表3 IGBT表面最高温度的极差分析和方差分析

表3 中，Ⅰj，Ⅱj，Ⅲj为“1”，“2”，“3”水平所对应的试验指标的数值之和;kk 为同一水平出现的次数;Ⅰj/kj，Ⅱj/kj，Ⅲj/kj为“1”，“2”，“3”水平所对应的试验指标的平均值;R 为一组数据中最大值减去最小值的差值;Sj为偏差平方和

各因素对IGBT表面温度高低的影响趋势见图3。从图中可以看出:随着翅片角度的减小，IGBT 的表面最高温度逐渐升高，对于该翅片散热器，翅片的角度为垂直时散热效果最佳，此时冷却介质的流速最快，流通率最高。随着翅片厚度的增加，最高温度呈现一个先上升后稍微下降的趋势，但是温度最低点还是在翅片厚度稍薄的点，这是由于对于特定尺寸的散热器，翅片的厚度越薄，散热面积越大，散热效果越好。

图3 IGBT表面最高温度随各因素的变化趋势

随着翅片间距的增大，温度越来越高，间距大的同时，虽然减少了风阻，增大了风的流速，但是大间距在一定程度上影响了翅片的数量，导致散热面积的降低，从而使散热效率下降。在结构尺寸允许的条件下，翅片越长，散热面积越大，这也促使低温出现在翅片最长时。

根据分析结果可得到最优组合为A1B1C1D4，即在垂直翅片下，翅片厚度为4 mm，翅片间距为3 mm，翅片长度为90 mm。图2 中的最佳方案是在最优组合下的温度分布图，可以得到IGBT表面最高温度仅为58．5 ℃。

以上分析仅是在三水平下得到的，更小的翅片厚度和间距下的散热效果，需要在今后的研究中进一步的分析和完善。

4 结论

(1)实际工程中，散热器的尺寸可在一定范围内变化，分析可以得到散热器翅片的倾斜角度、翅片厚度、翅片间距和长度是影响其散热效果的主要因素。

(2)从正交分析可以发现，翅片的角度对于该类型的散热器处于垂直的时候能够达到最佳的散热效果;散热器尺寸一定时，翅片间距越小、翅片厚度越小的情况下能够达到较好的散热效果，从图3 可以看出，当散热器的翅片厚度增大的多时，散热器的散热效果也有变好的趋势。

(3)各因素对散热效果影响的排序为翅片高度、翅片倾斜角度、翅片间距、翅片厚度，得到最优的散热器参数组合方式，这为实际工程中散热器的选型提供了方便的分析方法和角度，也对散热器的优化和选型提出一种新的思路。

［1］范伟，李慧君．电子器件散热片换热特性的数值研究［J］．通用电子器件，2012，14(9):34-37．

［2］徐盛友，陈民铀，冉立，等．新能源转换系统功率模块驱动可靠性分析与试验［J］．重庆大学学报，2013，36(10):42-47．

［3］荣智林，吴舒辞．ICEPAK 在三项PWM 变流器模块散热分析中的应用［J］．机电产品开发与创新，2007，20(6):61-62．

［4］黄韬．大容量通用电力电子功率模块散热系统的设计［J］．华电技术，2013，35(9):15-18．

［5］云和明，程林．基于CFD 的电子器件散热最优间距的数值研究［J］．电子器件，2007，30(4):1181-1187．

［6］王超，何雅玲，刘迎文，等．基于正交设计试验的电机散热的数值模拟研究［J］．工程热物理学报，2011，32(1):89-92．

［7］陈姿伶．散热器翅片长度对散热能力影响的仿真研究［J］．实验科学与技术，2005，(21):175-176．

［8］曾芳，朱洪涛，张慧敏．粉煤灰处理含铜废水的正交实验研究［J］．华北电力大学学报(自然科学版)，2003，30(6):94-96．

［9］张建华，邱威，刘念，等．正交设计灰色模型在年电力负荷预测中的应用［J］．电网与清洁能源，2010，26(2):28-32．

［10］高建强，王艳，马亚，等．基于正交试验方法的直接空冷风机耗电影响因素分析［J］．汽轮机技术，2012，54(6):451-454．