浅述一种直接水冷IGBT模块的散热仿真

王晓丽?于凯?黄小娟

摘 要 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块散热性能的好坏是影响IGBT模块可靠性的一个重要因素，本文设计了一种直接水冷散热结构的IGBT模块，应用Ansys软件对该结构进行散热仿真，并与英飞凌同类结构的散热仿真结果做对比，对比结果表明文中结构的散热分布更均匀，更有利于模块的均流特性。

关键词 IGBT;结构;散热仿真

近年来随着人们对电力电子装置要求的日渐提高，电子设备及系统正向小型化、多功能方向发展，IGBT 模块也正在向小尺寸、大功率的方向发展。随之而来的是模块内所产生的高热流密度带来的散热问题，该问题是制约IGBT模块可靠性的重要因素之一，当IGBT工作温度超出限制范围时，元器件的性能及稳定性下降，进而影响系统的可靠性，这就迫使人们对传统的热设计技术进行进一步的研究，探索适应这一新趋势的有效散热措施。而当采用了一项新型热设计技术时，产品的身价也随之增加。因此， IGBT模块散热系统的设计对模块的性能和价值有重要影响[1-2]。

随着计算机辅助设计软件的发展，有限元分析软件在模块结构设计中占举足轻重的地位，该软件可以对影响热分布的诸多因素 （部件几何尺寸、分布状态、导热材料的传输系数、周围环境等）进行模拟，计算结果通过图形化显示直观的温度场分布，可以高效、高速地应用在精度要求不是很苛刻的产品的热设计中[3]。本文通过Ansys软件对所设计结构的IGBT模块进行散热仿真，并与英飞凌同类结构模块的散热仿真结果进行对比，来验证所设计结构的必要性。

1散热仿真

1.1 结构设计

本文所设计的IGBT模块及其散热器结构关键项点主要包含：

（1）模块底板自带pin-fin，自带的pin-fin为上窄下宽结构，该结构能有效增加底板的散热面积，同时降低pin-fin对冷却液的阻流能力;

（2）模块水槽的导流沟道，有利于水槽中水流的均匀性，使得模块工作时各芯片热分布更均匀，能有效抑制由热分布不均引起的芯片损坏。

1.2 散热仿真

（1）结构建模

在不影响仿真结果的前提下，同时为便于网格划分，本文对模块模型中的子单元、焊料、带pin-fin的底板、散热水槽及冷却液进行简化处理，如图1所示：

（2）边界条件设置

每個热源功耗为100W，总功耗为900W，冷却液设为水，入口水流速度设为0.2m/s，入口水温设为0℃，出口压力设为0N/m2， 模块周围温度为20℃。

（3）仿真结果

对比两种结构在相同条件下的热分布情况，散热仿真结果如图2、图3所示，由图可以看出文中结构的最高温度为54.09℃，英飞凌结构最高温度为64.57℃。水流速度分布图如图4、图5所示，文中结构水槽中的最大水流速度为0.26m/s，英飞凌结构的最大水流速度为0.3m/s，且文中结构的水流更均匀。

1.3 不同入水口水流速度的仿真对比

保持其他边界条件不变，分别将入水口的水流速度设为0.1m/s，0.2m/s，0.3m/s，0.4m/s，0.5m/s，0.7m/s。

由图6出在保持其他边界条件不变的情况下，当增加水流速度时，模块的最高温度与模块子单元之间的温差值降低。

2结果分析

由温度图可以看出，两种结构模块的温度分布基本保持一致，水平方向上靠近入水口一侧的散热效果要低于出水口一侧的散热效果，垂直方向上靠近入水口一侧的散热更好。分析原因是，水平方向上，入口侧的垂直流速比出口侧的垂直流速小，所以靠近入口方向的散热差;垂直方向上，因为靠近入水口的水温低，因此带走的热量大，水越往下流，水温越高，散热能力越差，因此垂直方向上离入水口越远，散热能力越差。

不同点是：①相同条件下，新设计的散热结构最高温度为54℃，比英飞凌同类结构模块的最高温度低10℃，子单元之间的最高温差为14℃，比英飞凌模块的最高温差低8℃，热分布均匀性优于英飞凌模块。分析原因：由图7图8可以看出文中结构散热水槽中水流更均匀，导致文中结构的最高温度低于英飞凌模块的最高温度，且热分布更均匀。②与英飞凌同类结构相比文中设计的结构靠近出水口侧的温度较高。分析原因：本文设计结构中水槽中的水流速分布更均匀，而英飞凌模块水槽中靠近出水口一侧的水流速比入水口一侧的水流速大，使得英飞凌模块靠近出水口侧的温度低于文中结构相同部位的温度。

3结束语

本文通过Ansys仿真软件对文中结构与英飞凌同类结构的散热性能进行仿真对比，通过对比结果得出本文设计的这种散热结构使得模块的热分布更均匀，有利于模块的均流特性，同时对不同水流速度的散热性能进行仿真，仿真结果表明，在实际工况允许的条件下，可以通过提高水流速度来提高结构的散热能力。

参考文献

[1] 孙薇，刘钧，苏伟，等.直接冷却IGBT 功率模块散热性能研究[J].电工电能新技术，2014，（4）：21-25.

[2] 刘庆龙，丁炬明，贡俊，等.黄苏融基于ANSYS的逆变器冷却结构热仿真与设计优化[C].第十七届中国电动车辆学术年会.第十七届中国电动车辆学术年会论文集.北京：中国电工技术学会，2014：114-118.

[3] 张健，吕长志，张小玲，等.基于ANSYS的IGBT热模拟与分析[J].北京工业大学，2011，41（1）：139-142.

作者简介

王晓丽，女，工程师，现就职单位：西安中车永电电气有限公司，研究方向：IGBT模块封装测试。

于凯，男，高级工程师，现就职单位：西安中车永电电气有限公司，研究方向：IGBT模块封装测试。

黄小娟，女，工程师，现就职单位：西安中车永电电气有限公司，研究方向：IGBT模块封装测试。