翅柱式IGBT水冷散热器的数值模拟

丁杰，唐玉兔

(南车株洲电力机车研究所有限公司南车电气技术与材料工程研究院，湖南株洲 412001)

为化解强化换热与流动阻力的矛盾，优化水冷散热器的设计，人们在流道结构、形式、微通道等方面做出了许多努力［1-11］。其中，文献 ［11］就水冷散热器入口总流量60 L/min时带小突起枣核状、光滑枣核状、菱形、圆形和方形5种翅柱结构进行了对比研究，得到带小突起枣核状的换热效果最佳、流动阻力较大的结论。由于该翅柱式IGBT水冷散热器分为3个并联的支路，采用泄压槽的方式进行均流，其均流效果和整个散热器的散热效果有待研究。

为此，文中利用FLUENT软件对泄压槽对流量分配的影响进行研究，对水冷散热器的散热能力进行数值模拟。研究结果可为水冷散热器的设计工作提供指导。

1 水冷散热器的结构

图1是某翅柱式IGBT水冷散热器结构示意图，其内部槽道采用了并联型和串联型相结合的方式。

图1 水冷散热器结构示意图

冷却介质首先从入口流入，均流给3个支路，每个支路依次流经2个IGBT元件下方的槽道带走热量，然后汇流到出口流出。汇流到出口的槽道设置了一段细小弯曲的泄压槽，其作用是平衡3个支路的压降，保证每个支路的流量相同。每个支路采用带小突起枣核状翅柱结构进行叉排布置，以提高换热效果。

2 仿真策略与仿真建模

由于翅柱的细节特征尺寸很小，小突起可以对流动和传热产生很大的影响，几何结构特征限制了网格的尺寸，不能对整个水冷散热器进行仿真，否则会大大超出计算资源的限制。鉴于此，可以先对槽道内的流体区域 (见图2，分为有泄压槽和无泄压槽2个模型，用于分析泄压槽对流量分配的影响)划分0.2 mm尺寸的网格，通过单独计算流场 (求解质量守恒方程和动量守恒方程)得到流向各支路的流量，分析泄压槽对3个并联支路均流的影响。然后参考文献［11］的方法建立如图3所示的对称热仿真模型，利用前面计算出的流量作为输入条件，进行流场和温度场的耦合计算 (求解质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程)，从而获得准确的温度场分布。

图2 槽道流动仿真模型

图3 热仿真模型

冷却介质使用50℃的40%乙二醇+60%水，入口流量为30 L/min。通过计算可知水冷散热器入口的Re数为21 010，大于10 000，属于湍流状态。假定3个支路入口处的流量相同，计算可知支路入口处的平均流速为0.527 m/s，Re数为1 479，该值小于2 300。考虑到翅柱使流道截面积减小，流速会增加，且小突起会起到强化扰流的作用，使得翅柱之间的流动状态难以界定，因此选择层流和标准k-ε模型2种最具代表性的仿真模型来分析水冷散热器内部的流动状态［12］。

3 槽道流动情况的仿真与分析

图4是30 L/min入口流量时，有、无泄压槽两种情况分别采用标准k-ε模型计算得到的流速迹线图，从图中可以大致看出冷却介质在槽道内的流动情况，最大流速主要出现在转折区域。

图4 流速迹线图

有泄压槽的最大流速为2.02 m/s，比无泄压槽的最大流速略小。利用FLUENT软件的Report功能，可以得到3个支路的平均流速，再通过平均流速与截面积的乘积得到平均流量。有泄压槽时，第1、2、3支路的平流流量分别为:10.021、10.028和9.953 L/min。无泄压槽时，第1、2、3支路的平流流量分别为:10.154、9.657和10.19 L/min。说明了泄压槽对3个支路的均流有明显的效果。

图5是30 L/min入口流量时，有、无泄压槽两种情况分别采用标准k-ε模型计算得到的截面压力分布图。有泄压槽的压降为32.23 kPa，比无泄压槽的压降 (35.18 kPa)稍小。

图5 压力分布结果

为了确定泄压槽在不同入口流量和流动状态下的均流效果，分别用层流模型和湍流模型对10～60 L/min入口流量进行了计算。表1列出了有、无泄压槽的流量分配情况，可以看出:有泄压槽时支路1、支路2和支路3的平均流速相差不足0.5%;无泄压槽时支路1、支路2和支路3的平均流速可以相差约5%。这说明了泄压槽可以调节各支路的压力，使得有泄压槽的均流效果要明显优于无泄压槽的。

表1 各支路的平均流速 m/s

图6是对入口流量为10～60 L/min、有泄压槽水冷散热器进行仿真得到的压力特性曲线。入口流量逐渐增加时，压降迅速增大。层流模型的压降比湍流模型要小，两种流动状态模型的压降差会随着入口流量的增加而增大。

图6 有泄压槽水冷散热器的压力特性曲线

4 散热性能的仿真与分析

从前面的分析结果可知，泄压槽保证了3个支路流量的均匀分配，整体水冷散热器的性能基本上可以以一个支路的散热性能来代表。图7—10是水冷散热器在入口总流量为30 L/min(折算成热仿真模型入口流速为0.527 m/s)采用标准k-ε模型进行仿真得到的计算结果。

图7表示中间截面的流速分布，最大流速为2.03 m/s。可以看出冷却介质非常均匀地对叉排的翅柱进行冲刷。

图7 中间截面流速分布

图8表示中间截面压力分布，压降为30.55 kPa，与整个水冷散热器的流阻 (32.23 kPa)相比，要小一些，这是由于水冷散热器入口段、出口段和泄压槽也会产生一定的流动阻力。

图8 中间截面压力分布

图9 IGBT元件安装面温度

图10 表面温度

图9是温度场分布结果。图9表示IGBT元件安装面的温度场分布，温度标尺采用了所见即所得方式，最高温度为73.4℃，温升为23.4℃，可以说明2个IGBT元件安装面的温度分布并不一致，且不均匀，最高温度主要出现在芯片对应位置的正下方。图10表示整体温度场分布，IGBT元件芯片上的温度最高，为105.96℃，温升为55.96℃。分别用层流模型和标准k-ε湍流模型对0.175 7～1.054 m/s的入口流速 (对应水冷散热器的入口流量为10～60 L/min)进行计算，可以得到IGBT元件芯片最高温度和IGBT元件安装面最高温度随入口流量变化的曲线，分别见图11和图12。随着入口流量由10 L/min增加至30 L/min，温度下降速度较快，入口流量继续由30 L/min往上增加时，温度下降的速度变得非常缓慢。随着入口流量由10 L/min增加至60 L/min，标准k-ε湍流模型得到的温度与层流模型的差别越来越大，湍流效应的影响越来越强。此外，还可看出入口流量为10 L/min时，芯片最高温度会超出允许的125℃结温限制，过小的入口流量很容易造成IGBT元件因温度过高而损坏。

图11 芯片最高温度随入口流量变化曲线

图12 安装面最高温度随入口流量变化曲线

5 结论

由于翅柱的细节特征尺寸很小，限制了网格的尺寸，难以对整个水冷散热器建立完整模型进行仿真计算，因此，文中采取了先对流体区域进行计算，对比分析有、无泄压槽对3个支路流量分配的情况，发现泄压槽方式可以有效调节3个支路的压力和流量，使得3个支路的流量基本上相等。基于流量相等的计算结果，可以充分利用对称性来建立热仿真模型进行散热性能的仿真，得到了水冷散热器在不同入口流量下的芯片最高温度和IGBT元件安装面最高温度变化曲线。该方法的应用，大大降低了对计算机资源的需求，有效解决和实现了复杂问题的仿真计算。

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