用于地铁变流器的平板微热管散热器数值模拟与实验研究

(中南大学机电工程学院 长沙 410083)

变流器是电力机车的关键部件，而绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块是变流器的核心部件。随着IGBT模块功率密度的增加，其热失效和热退化现象越来越突出，根据IGBT模块的失效机理可知，在长期高温热循环的作用下，会导致芯片键合线断裂或脱落、芯片与衬板之间及衬板与基板之间的焊料层老化、栅极氧化层损坏和芯片失效等问题，因此IGBT模块的散热设计至关重要[1-2]。

风冷、液冷、热管散热器是变流器目前最主要的散热方式[3-8]。胡建辉等[9-10]建立了较为准确的IGBT模块通态损耗和开关损耗的计算方法，考虑了温度对损耗的影响，并采用等效热阻法推导出各点温度，在此基础上设计了强迫风冷散热系统。徐鹏程等[11]利用有限元体积法研究了翅片厚度和翅片间距对热管式散热器散热性能的影响。陈修强[12]结合圆柱形铜热管与环肋散热技术设计了一种IGBT用热管散热器，该种散热器能使基板温度趋于均匀，使整体温度降低5～11 ℃。贺荣等[13]针对CRH2高速动车组牵引变流器散热要求，改进了传统铜热管，提出一种阶梯状变截面热管结构，并设计出新型热管散热器。综上所述，研究散热器和IGBT模块温升的方法主要有实验分析法、仿真分析法、热阻网络法，大部分研究集中于IGBT模块的稳态方面，对于瞬态研究较少；对于热管散热器，采用的热管多为传统圆柱形铜热管，与平板微热管相比，具有接触面积较小、安装复杂等缺点。

本文以某型号地铁变流器为研究对象，以传统翅片散热器为基础，将宽40 mm、厚3 mm的平板微热管镶嵌到传统翅片散热器中，对其进行数值模拟及实验研究。先利用ICEPAK软件对传统翅片散热器与平板微热管散热器进行瞬态仿真分析，对比优化前后的性能差别，验证平板微热管散热器的优越性。并在25 ℃恒温条件下，对两种散热系统进行实验，测试瞬态温升情况，以验证数值模拟的准确性和可靠性。

1 平板微热管散热器结构

根据某型号地铁变流器的工作特性得知，该变流器仅在机车出库与入库断电情况下启动4 min，其余时间为不工作状态。在变流器中主要发热元件为IGBT模块，传统翅片散热器难以满足其散热性能要求。采用平板微热管散热器自然风冷的方式，可以省去风道和风机，简化散热系统结构，减少风机故障隐患和振动噪声等影响。

本文提出的平板微热管散热器结构如图1所示，由铝制翅片散热器、平板微热管及IGBT模块组成，翅片散热器结构参数如表1所示。

1 散热器；2 平板微热管；3 IGBT1；4 IGBT2；5 IGBT3；6 IGBT4；7 IGBT5。图1 平板微热管散热器结构Fig.1 Structural of flat-plate micro-heat pipe radiator

散热器参数数值基板长度L/mm0.4基板宽度W/mm0.57基板厚度l/mm0.018翅片厚度δ/mm0.002翅片高度H/mm0.06翅片数量N/mm73翅片间距s/mm0.005

平板微热管为一种导热能力超强的导热元件，由微槽道铝扁管和少量工质组成，IGBT模块基板与热管接触部分为热管蒸发段，散热器与热管接触部分为热管冷凝段。实验研究表明平板微热管具有均温性好、启动时间短、导热功率大等优点[14]。本文使用的平板微热管厚度为3 mm，宽度为40 mm，长度分别为306 mm和186 mm，在翅片散热器基板上铣安装槽，将热管内嵌到基板上，通过导热环氧胶固定。与传统铝制翅片散热器结合有以下优点：1)利用平板微热管的良好均温性和变流热密度导热的特性，以很小的温差获得较大的翅片扩展面积，提高翅片散热效率；2)将散热器整体竖直放置，重力协助冷凝段液体回流，增强热管的毛细极限，减小平板微热管热阻，并促进翅片间形成烟囱效应，增大对流换热表面传热系数；3)使用铝制散热器，一体化设计使结构简化，重量降低。

2 系统总热阻及芯片结温的理论计算

根据物理模型建立散热器的热阻等效电路模型，将散热系统的损耗功率等效为电流源，热阻产生的温差等效为电压，热阻等效为电阻，热阻等效电路模型如图2所示。

P：IGBT模块热损耗；TJ：IGBT模块的结点温度；TC：IGBT模块管壳温度；TS：散热器表面平均温度；TK：环境温度；RJ-C：IGBT模块的结壳热阻；RC-K：IGBT模块管壳与大气间的热阻；RC-S：IGBT模块管壳与散热器间的热阻；RS-K：散热器与大气间的热阻。图2 散热器的热阻等效电路Fig.2 Thermal resistance equivalent circuit of radiator

因为RC-K相较于其他热阻很大，在并联热阻网路中可以忽略不计，所以根据其热阻网络可得IGBT散热器总热阻及各关键点温度。

总热阻R：

《标准化法》第25条规定：“不符合强制性标准的产品、服务，不得生产、销售、进口或者提供”。对于此条应当如何抽象界定主旨、如何进行解释，《中华人民共和国标准化法释义》（以下简称《标准化法释义》）的回答极为有趣且简短，不妨照录如下：

R=RJ-C+RC-S+RS-K=

(1)

其中，RJ-C主要由IGBT封装结构决定，根据技术手册，取值为0.064 K/W；RC-S主要由热界面材料决定，取值为0.01 K/W；RS-K主要由散热器材料和结构决定。根据技术要求，需要控制芯片结温的最高温度<125 ℃，散热器基板的最高温度<85 ℃。

3 散热系统仿真分析

本文利用ICEPAK软件对散热系统进行仿真分析。首先，利用Solidworks建立三维模型，导入ICEPAK设置材料属性、建立边界条件、划分非连续性网格、设置求解参数；最后，采用FLUENT求解器进行求解计算。

3.1 CFD控制方程

当空气流经散热器时，满足质量守恒、动量守恒和能量守恒，因此控制方程为：

连续性方程：

(2)

动量方程：

(3)

能量方程：

(4)

式中：u为速度矢量，m/s；ρ为密度，kg/m3；T为热力学温度,℃；p为压力，Pa；τ为应力张量；g为重力加速度矢量，m/s2；cp为比定压热容，J/(kg·℃)；k为导热系数，W/(m·℃)；Q为体积热源，W。

3.2 建立CFD仿真模型

热管散热器内部涉及复杂的相变过程，本文主要研究平板微热管散热器的散热性能，因此将热管假设为轴向导热系数很高、径向导热系数为热管材料导热系数的实体棒杆[3,15]。考虑到自然对流散热流体区域对仿真精度有极大影响，在建立的IGBT散热模块三维几何模型的外侧建立合理的流体区域，对整体模型进行多级网格划分[16]。因此对散热器与IGBT模块部分取网格基本尺寸为1 mm，在其周围创建5 mm的边界层，在远离IGBT模块与散热器区域将网格尺寸过渡至5 mm。总体网格数量约为200万，网格划分结果及局部网格划分放大图如图3所示。

图3 整体网格及局部网格放大图Fig.3 Integral mesh and local grid enlargement

IGBT模块芯片在导通与开关过程中会产生通态损耗与开关损耗，通过给定的电气参数计算可知IGBT1、IGBT2最大热损耗为520 W，IGBT3、IGBT4最大热损耗为450 W，IGBT5最大热损耗为312 W。设置芯片的热源时，将其设置为均匀的体热源。环境温度设置为25 ℃，散热器材料为6063铝合金，导热系数为201 W/(m·℃)，密度为2 710 kg/m3；导热环氧胶导热系数为1.2 W/(m·℃)；导热硅脂导热系数为2.6 W/(m·℃)，涂抹厚度为0.07 mm。使用DO辐射模型，Zero equation湍流模型，考虑密度随温度的变化与重力，打开Boussinesq模型。计算散热器与IGBT模块在工作4 min及停机1 min内的温度变化，使用瞬态计算，迭代步长为1 s。

3.3 瞬态结果分析

变流器IGBT模块在最大热损耗工况下工作4 min，停机1 min的温升曲线如图4所示，监控点VT1～VT5分别在IGBT1～IGBT5散热器基板安装位置的中心处。

在极限工况下，模拟热源在工作时间0～240 s范围内，各测点温度呈线性上升趋势，超过240～300 s，因为IGBT模块停止工作，各测点温度下降。在不加热管的情况下，基板上的最高温度为91.46 ℃，高于散热器基板最高温度85 ℃的要求，且各测点间的温差较大，高达29.31 ℃。加热管之后，基板上的最高温度为72.22 ℃，满足要求且各测点间的温差较小，说明平板微热管散热器基板均温性明显提升。

图4 平板微热管散热器与传统翅片散热器仿真温升对比Fig.4 Comparison of simulation temperature rise between flat plate micro heat pipe radiator and traditional fin radiator

图5 平板微热管散热器与传统翅片散热器仿真温度云图对比Fig.5 Comparison of simulated temperature cloud between flat plate micro heat pipe radiator and traditional fin radiator

图5所示为平板微热管与传统翅片散热器仿真温度云图。由图5可知，加热管情况下散热器整体温度分布较均匀，温度较高部分为IGBT模块基板上表面，平板微热管可以极大增加IGBT模块局部散热效果。在散热器翅片方向上，加热管时翅片平均温度大于不加热管时翅片平均温度，但其最大温度低于不加热管时。由此可知，平板微热管散热器可以解决局部温度过高的问题，且提高翅片散热效率。在后期设计时，可将IGBT模块由竖直安装改为横向安装，这样可以改善散热器在横向温差较大的情况，也可以增大横向安装尺寸，在IGBT模块下安装更多平板微热管，提高散热器的散热效果。

4 实验研究

4.1 实验平台搭建

为验证平板微热管散热器的可行性与仿真结果的正确性，对其进行温升实验。因为IGBT元件的损耗特性与温度有很大关系，易受温度波动而带来较大实验误差，且IGBT元件不能在极限工况下长时间工作。为保证实验精度与IGBT元件的安全性，在实验研究中采用模拟热源代替IGBT元件[17]。

平板微热管散热器实验测试系统如图6所示。在高低温交变实验箱中进行环境温度为25 ℃时的温升实验。实验采用的模拟热源由铝块与单头加热棒组成，单根单头加热棒的额定功率为150 W，根据各个IGBT元件的极限热损耗，在铝块中布置单头加热棒，加热功率由两个3 000 VA交流变压器调节。为减小模拟热源与散热器之间的接触热阻，在其中间均匀涂抹一层导热硅脂(约70 μm厚)。为准确测量模拟热源安装底面基板温度，使K型热电偶与模拟热源安装底面紧密贴合。在散热器模拟热源覆盖的基板正下方开深2 mm、宽2 mm的线槽，方便热电偶的线引出，最后用力矩扳手将模拟热源按照规定力矩安装到散热器上。温度采集模块每隔1 s采集一次数据，并利用Fluke Ti450红外热成像仪来获得平板微热管散热器的整体温度分布，以验证平板微热管散热器的均温性。

图7 平板微热管散热器与传统翅片散热器实验温度云图对比Fig.7 Comparison of experimental temperature cloud between flat plate micro heat pipe radiator and traditional fin radiator

图6 平板微热管散热器实验测试系统Fig.6 Experimental test system for flat plate microheat pipe radiator

4.2 实验结果分析

利用Fluke Ti450红外热成像仪测得平板微热管与传统翅片散热器基板侧和翅片侧的温度云图如图7所示。对比仿真云图(图5)可知，仿真云图大致反映了真实情况下平板微热管与传统翅片散热器的温度分布。

对比图7(a)与图7(b)可知，左下方2个模拟热源功率大于右边3个模拟热源，所以在无热管情况下，左下方2个模拟热源产生的热量积聚速度大于右边3个模拟热源，使左下方2个模拟热源温度大于右边3个模拟热源温度。在有热管情况下，因为平板微热管的高热导率、变热流密度导热的特点，能够使左下方2个模拟热源的热量迅速散发到散热器其他部位，所以下方4个模拟热源温差较小。

图8 平板微热管散热器与传统翅片散热器实验温升对比Fig.8 Comparison of experimental temperature rise between flat plate micro heat pipe radiator and traditional fin radiator

布置在模拟热源与散热器基板线槽之间的K型热电偶可以测得散热器基板上的最大温度，其温升曲线如图8所示。在极限工况下，模拟热源在工作时间0～240 s范围内，各测点温度呈线性上升趋势，超过240 s之后，因为模拟热源的热惯量作用，基板温度继续上升20 s后，各测点温度下降。在不加热管情况下，基板上的最高温度为96.02 ℃，高于散热器基板最高温度85 ℃的要求，且各测点间温差较大，高达25.7 ℃。加热管后，基板上的最高温度为70.27 ℃，满足要求且各测点间温差较小，平板微热管散热器基板均温性明显提升，实验结果与仿真结果较为吻合。

因为IGBT芯片封装复杂，难以直接测量其结点温度，所以利用式(1)推导最高结温，即IGBT2的结点温度为TJ=TS+(RJ-C+RC-S)P=70.27+(0.064+0.01)×540=110.23 ℃，满足结温<125 ℃的要求。

平板微热管散热器数值模拟与实验结果对比如表2所示，两组数据基本吻合，最大误差为7.07%。存在误差的原因主要有：1)数值模拟在理想情况下进行，为方便计算对结构进行了简化；2)实验所用的热源为模拟热源，与实际IGBT模块存在差异；3)在实验过程中数据的采集可能存在误差。

表2 平板微热管散热器模拟结果与实验结果对比Tab.2 Comparison of numerical simulation and experimental results of flat micro heat pipe radiator

5 结论

1)本文将平板微热管应用于地铁变流器IGBT的散热器上，在满足散热要求的前提下简化了散热系统结构，并用仿真与实验的方法验证了其可行性。

2)IGBT模块在极限功率工作条件下，平板微热管散热器可以控制IGBT模块在自然冷却情况下结温为110.23 ℃，散热器基板最高温度为70.27 ℃，满足IGBT模块工作要求。相较于传统翅片散热器，平板微热管散热器改变了局部过热现象使散热器均温性有很大提升，提高了翅片散热效率。

3)对比数值模拟结果与实验结果，相同温度监控点最高温度的误差最大为7.07%，温度云图分布大致相同，从而验证了数值模拟的准确性，为后续平板微热管散热器的优化设计提供理论依据。