大功率电力电子器件散热研究综述

李广义，张俊洪，高键鑫

(海军工程大学， 武汉 430033)

高功率密度电力电子器件是电动汽车、风力发电机、高铁、电网等应用的核心部件。当前大功率电力电子器件正朝着高功率水平、高集成度的方向发展，因此散热问题不可避免的受到关注。大功率半导体器件工作时所产生的热量会引起芯片温度的升高，若没有合适的散热措施，会导致芯片的工作温度超过所允许的最高温度，进而引发器件性能的恶化甚至损坏[1]。已有研究表明，半导体芯片的温度每升高10 ℃，芯片的可靠性就会降低一半，器件的工作温度越高，器件的生命周期越短，因此降低器件温度是延长其生命周期的有效方法[2-3]。

现阶段，已有较多针对各类电力电子器件和设备的热设计、散热优化等方面的研究。本文在前人研究的基础之上，对现有研究内容进行了分析整理，为后期开展各类器件和设备的散热研究提供参考。

1 温度对电力电子器件和设备的影响

1.1 温度对电力电子器件寿命的影响

温度对寿命的影响主要体现在两方面：一是芯片的热失效；二是应力损坏[4]。常见的硅芯片的安全工作温度一般为-40～50 ℃，在安全工作温度范围内器件可正常工作，当结温超过安全工作温度时，会引起芯片的热失效，硅芯片的最高允许结温一般为175 ℃[5]；另一方面，由于器件内各材料膨胀系数的差异，过高的结温会引起芯片内热应力增大，进而引起芯片内焊料弯曲、键合丝脱落等机械损伤[5]。陶鑫等[6]在研究中指出对于引线框架上倒装芯片，因封装中铜引线框架和硅芯片的热膨胀系数差异大,使得热载荷作用下的热应力会引起与焊点相连的芯片表面结构发生破坏；向语嫣[7]也在文章中指出半导体器件封装时采用的传统回流焊互连技术产生的残余应力会在高温下进一步加剧，最终导致芯片和基板焊料层的脆性断裂。此外，过高的结温还会导致芯片的热击穿，甚至是芯片的热熔化。这些失效都是不可恢复性失效，所以高温对器件的损害是致命的。

1.2 温度对电力电子器件参数的影响

电力电子器件本身的各项参数对温度变化非常敏感。其通态电阻、正向压降、阈值电压、导通电流等参数均会随温度的变化而变化[8-9]。如功率MOSFET的通态电阻随结温的升高近似线性增大，因此器件的同态损耗也将增大，导致器件产生更多的热量，进一步使结温升高，从而造成恶性循环。对于IGBT而言，已有相关研究表明其关断延迟时间会随器件工作结温的升高而增加[10]。对热敏参数的合理利用，可以作为器件结温的表征参数[11-13]；而热敏参数的失控则会对器件造成严重损坏，并且这由热敏参数造成的损坏往往会随温度的升高进一步恶化。

1.3 温度对设备体积、重量的影响

针对电力电子设备的热设计主要依靠工程人员的经验而缺乏系统的热设计理论。而这种粗略的散热设计会使整个设备散热性能过于冗余，在未经优化改进前，往往会造成设备整体重量及体积过大、散热效率低下等[6]。此外，设备散热系统的进一步优化由于缺乏系统的理论及方法支持，主要依靠反复的散热实验，不仅效率低下，而且浪费资源。由于工程人员对设备散热设计的重视程度远远低于电气设计，不合理的散热系统不仅会对设备整体的体积、重量有影响，也会制约设备其他器件的布局和安装空间等。相反，合理的散热设计则能显著提高设备的热可靠性，并且能够合理利用设备空间及布局，便于设备的轻型化。

2 电力电子设备热设计特点

2.1 发热集中、散热面积有限

电力电子器件作为电力电子设备的核心组件，其工作时会不可避免的产生各种损耗，包括导通损耗和开关断损耗等，引起器件发热，如不及时将器件产生的热量散发到周围环境中，过高的运行温度会对器件正常工作和设备的可靠运行造成严重影响。随着电力电子技术的进步，电力电子器件的功率等级不断提高，同时设备向着小型化、紧凑化的方向发展，使得电力电子器件热量集中、散热面积小的特点日益突出，造成了器件的面热流密度不断增大，在大功率应用场合往往需要借助加装额外散热器来实现设备的可靠运行[14]。此外，随着SiC等新材料在电力电子器件中的应用，虽然SiC芯片损耗有所降低[15]，但由于芯片尺寸减小，导致局部热流密度更高，对散热要求反而更高。

2.2 应用场景多、环境复杂多变

电力电子器件的飞速发展使其应用场景在不断扩展：电动汽车、风力发电机、高铁、电网、航空航天等，使用环境复杂多变：设备往往要面临高温、高湿、高盐、振动甚至真空等各式各样的外在环境，使设备及其内部的元器件经受各类考验，同时，对设备的散热系统也提出了较高要求。因此需要考虑不同环境参数对器件热设计的影响。徐殿国等[16]分析了在极限温度下电力电子技术的发展需求，指出在航空航天等领域极限高温和低温环境是电力电子器件不可避免要面临的，因此在极端环境下器件的性能研究至关重要；Xu等[17]考虑煤矿环境高温高湿的特点，分析了矿用电机功率变换器在潮湿环境下的温升特性，通过仿真和实验研究发现在相同环境温度下，随着环境相对湿度的增加，功率变换器的最高温升有所下降，对潮湿环境下的发热规律有了初步认识。Pedroza等[18]研究了太空真空环境对激光二极管机械和热性能的影响，通过针对性的封装优化，使其达到高功率水平的应用。由于应用环境的复杂性，在电力电子设备的设计中，不仅要考虑环境对内部元器件的影响，也要考虑到设备热设计的特殊性。针对不同的环境特点，优化散热方式，同时考虑环境对散热系统的影响，提高散热系统的散热效率和可靠性。

2.3 涉及多物理场耦合研究

电力电子设备的热设计不仅仅只涉及传热学领域，如图1所示在采用热电模拟法对典型电力电子器件传热路径分析中，为达到良好的散热效果并且兼顾设备的可靠性、轻量化及小型化要求，需要综合考虑温度场、应力场和流场的耦合问题。Kong[19]充分考虑了温度场、电场和力场之间的耦合作用，对集成电路中金属键合线在电磁脉冲下的电热特性与机械特性展开研究，揭示了不同电磁脉冲波形对金属键合线的热-机械响应的影响；唐柳青[20]在对LED的散热优化中针对现有研究的不足，同样从多场耦合传热角度完成了散热结构的优化改进，提高了散热效果。在由上述分析可知，电力电子设备的热设计是一个涉及机械、电子、传热学和流体力学等多个学科门类的研究，因此需要考虑电力电子设备的机-电-热一体化设计，并且着重研究电力电子器件的电-热-力多物理场的耦合作用问题[19,21]。

图1 电力电子器件传热路径的多场耦合分析框图

3 常见散热技术

电力电子器件热量传输的过程中包含了热传导、热对流和热辐射3种方式[22]，其中从芯片到散热器的热传导以及从散热器到周围环境的热对流为主要的热量传输方式。因此电力电子设备的散热设计主要从这两方面入手，常见的散热方式按其从散热器带走热量的方式不同可分为主动散热、被动散热及热电冷却等。其中，被动散热主要包括常见的自然对流，间接接触的气液、固液相变冷却，及直接接触的浸没式液体冷却和相变冷却等；主动散热则主要包括常见的强迫风冷散热、强迫液冷等方式。电力电子设备散热技术在研发新的散热技术的同时对已有的散热方式也在不断地优化和改进，以充分发挥已有散热方式的散热能力。图2为常见散热方式所对应的热流密度范围示意图[14]。

图2 常见散热方式对应的热流密度范围示意图

3.1 自然对流散热

自然对流散热技术以空气为传热介质，利用空气本身热胀冷缩产生的浮生力，使散热器翅片周围空气流动，实现热空气和冷空气之间的交换。相比于其他散热方式，自然对流散热不需要额外提供能量，结构简单，运行可靠，基本不需要维护，因此在热流密度不大的场合应用十分广泛。由于散热结构简单，因此针对自然对流散热的研究主要以优化散热器结构及安装方向为主，近年来以场协同原理为理论支撑的散热研究开展较多[2,23]。

3.2 强迫风冷散热

与自然对流散热相比，强迫风冷散热空气的运动是依靠风扇来提供动力，由于空气的运动速度大大提高，因此，其散热能力更强，热流密度明显高于自然对流散热，约为自然风冷的5～10倍[24]。强迫风冷散热结构的设计研究主要包括热沉结构参数设计、散热风扇的选型及流体风道设计等方面，以上三方面设计要使散热面积、空气流量和空气压降得到平衡，才能使强迫风冷散热发挥最佳效果。由于强迫风冷散热效果明显好于自然风冷，虽然散热效果不如强制液冷，但其复杂程度、体积、重量和后期维护方面明显优于液冷，因在能够在大功率电力电子器件的热设计中广泛应用和快速发展[14]。

3.3 强迫液冷散热

图3所示强迫液冷的典型结构。散热结构中热源产生的热量通过导热的方式经器件封装和液冷板，最终传递给冷却液体，受热后的液体在泵的作用下被输送到换热器部分，最终热量经换热器散发到周围环境中。强迫液冷与强迫风冷相比，通过冷却液体将热源处的热量转移到换热器部分，与热源直接接触的是液体，由于液体的导热性明显高于空气，因此其散热效果明显优于强迫风冷散热，其散热能力约为风冷的6～10倍[24]。在液冷散热中采用导热性更佳的介质能够显著提高散热效果，王德辉[25]提出了将液态金属作为冷却工质应用于电力电子器件散热系统中的热展开环节，并通过仿真加实验的方法验证了液态金属应用于大功率电力电子器件液冷散热的可能性。由于系统中液体的存在，需要考虑到液体的更换和防止液体泄露对器件的损坏等问题，强迫液冷对液体可靠性和管路系统要求较高，且由于系统结构复杂、零部件较多，体积、重量明显大于风冷散热，因此对其应用环境有一定限制。

图3 强迫液冷散热典型结构示意图

3.4 相变散热

利用材料相变吸热原理，将热源发出的热量转化为相变潜热，最终经再次相变释放到环境中去。按相变介质与器件是否直接接触可分为直接相变散热和间接相变散热，其中直接相变散热中电子元器件直接浸没在散热介质中，器件产生的热量直接传导给相变介质，介质通过对流和相变将热量向外界环境传播，因此在相变介质的选取中需要充分考虑材料的导电性、沸点、流动性等方面因素[26-27]。间接相变散热中因相变介质不与器件直接接触，热源产生的热量经热界面材料、外壳传导给相变介质[28]，因此对介质的导电性无要求，但整体传热效果受热界面材料和壳体导热率影响较大。

3.5 热电冷却

热电冷却是利用半导体材料的帕尔贴效应，即电流流经两种不同材料界面时，将从外界吸收或放出热量，近年来随着半导体材料制造技术的发展，热电冷却方式发展迅速[29-30]。图4为热电冷却的典型结构，虽然热电冷却的制冷端能够显著降低热源的温度，但其总的散热能力受限于热端的散热能力，因此，系统整体的散热效果与热端散热方式密切相关。由于热电冷却中热端仍需采取一定的散热措施，造成整体散热系统较为复杂且笨重，对其应用限制较大。

图4 热电冷却典型结构示意图

3.6 热管散热

热管散热同样是一种利用液体相变传热原理：热管内部饱和液体从高温侧吸收热量而汽化，饱和蒸汽流动到低温侧放热并冷凝成液体，经重力或毛细力作用下回流到高温侧继续参与吸、放热循环[31]。图5所示为重力热管的典型结构。热管散热虽为被动式散热，但其具有其他金属难以比拟的优秀导热能力，因而具有广阔的应用前景，近年来各种形式的热管散热技术发展迅速。沈晶晶[32]针对超算集群CPU研究的重力热管散热系统能够使服务器在满负荷运行条件下保持CPU平均核心温度在74 ℃以下，并且能够显著降低数据中心的PUE值，实现机房的节能减排；Shu[33]在针对大功率半导体激光器的热设计研究中发现，使用U形热管进行散热，功率密度可达367 W/cm2，冷却效果显著。

图5 重力热管典型结构示意图

3.7 微通道散热

关于微通道的定义主要有两种[34]：一种指水力直径为0.01～0.2 mm的通道可称为微通道；另一种根据浮升力与表面张力的比值来定义。不论何种定义方式，微通道散热技术凭借其尺寸小、传热温差小和单位面积换热效率高等突出优点，日益受到研究人员的关注，近年来随着微通道理论的不断完善以及加工技术的飞速发展，使得该技术已成为学者们的研究热点。针对微通道散热技术的研究主要集中于通道尺寸优化、通道介质的流动和传热特性等方面。洪芳军等[35]提出了一种树型微通道网络结构，并通过仿真和实验的方式验证了该新型微通到结构与传统平行微通道相比，在流动压降、温度均匀性及热阻方面的均有明显优势；此外，两相工质在微通道中的应用研究也在逐渐增多，Chien等[36]针对两相流体R410A在微通道中的沸腾换热展开研究，发现通过工质的相变吸热能够显著提高微通道散热的热流密度。

4 散热系统优化研究

有效的散热设计在充分发挥电力电子器件功率特点的同时，能够显著降低器件工作结温，延长器件和设备的可靠运行寿命；还能够改善设备整体的体积、重量，减少结构冗余，利于设备的轻便和小型化发展。现阶段针对电力电子器件和设备的散热设计和优化内容主要有：散热器几何参数优化、散热器结构优化，风道或流道优化，及新的优化算法和理论的应用等方面。

4.1 散热器几何参数优化

板翅式散热器由于结构规则、简单，生产加工方便等优点，实际应用较为广泛；此外，板翅式散热器几何参数主要有：基板厚度、翅片高度、翅片厚度、翅片数量等，明显少于其他异形散热器，且各结构参数相对独立，互不干扰，因此针对其结构参数的优化研究明显较多。

Wu等[37]针对板翅式散热器提出了一种可预测水力和热力性能的渐进模型，运用该模型对散热器翅片间距和厚度，基板长度、宽度和厚度等几何参数进行了优化分析；张建新等[38]采用正交试验法和遗传算法两种优化方法，以肋片间距、厚度和高度为优化变量，对芯片结温和肋片重量实施了双目标优化，结果表明两种方法均有较好的优化效果，且通过遗传算法能够得到更加多样的优化结构；龚美[39]在对大功率LED路灯散热器的优化研究中，通过仿真软件分别研究了基板厚度，翅片厚度、间距和高度对LED散热性能的影响，并由此确定了该路灯模型散热器的最优几何尺寸。虽然目前针对散热器几何参数的优化已有较多研究，但上述优化研究中对散热效果的评价缺乏统一指标，并且对散热器几何参数的选取未形成一定规律。

4.2 散热器结构优化

散热器结构的优化主要集中于在散热器结构基础之上提出不同的改进方法，提高其散热效果。Li等[2]针对斩波设备散热结构提出了对散热器基板进行开缝处理的优化措施，研究发现，在自然对流条件下，该结构能够提高散热器中间部位空气流动的连续性及场协同性，使热源温度明显降低，优化效果显著；王林习等[40]针对散热器底部存在空气滞留区，减弱对流换热效果的问题，提出了对散热器翅片进行开缝的优化研究，通过仿真计算，发现开缝结构能够增加流动空气扰动，使翅片间空气流速提高了18%，温度降低了5%；王文奇等[41]提出了一种新型树叶形翅片的散热器，并对翅片倾角、翅片间距等参数进行了优化研究，最后从场协同性和传热性能两方面对比了优化后的新型翅片和竖直平板翅片、开缝翅片和烟囱翅片等3种典型翅片，发现优化后的树叶形翅片协同角最小，换热性能最好，验证了该新型结构对强化散热的有效性。

4.3 散热系统风道优化

在不改变散热器结构的条件下，通过调整器件布局、风机位置、加装导风板等方式改变空气流动方向及气流分布，使在有限的空间条件下散热效果得到增强。Li等[42]通过调整散热器放置方向并加装导风板优化风道，使原本集中的冷却空气在导风板作用下均匀分布在散热器翅片间，提高了散热效果：优化后温度下降达21 ℃；Xu等[43]研究了自然对流条件下电机变换器不同放置形式：肋片朝下、垂直和朝上时，对器件最高温升的影响，结果表明，肋片朝上放置时功率变换器的最高温升和温升梯度最小，散热效果最佳；Chao等[44]提出了在横流冷却下散热器中加装挡板的优化措施，在小雷诺数情况下，通过挡板的阻挡作用，能够使更多的流体通过叶片间流道，从散热器传出的热量明显增大，提高整体结构的散热效果。

4.4 散热优化算法及理论

针对散热系统的优化研究需要以某一理论或算法为基础，虽然近年来散热优化方面已有较多研究，但尚未形成关于散热系统优化方面统一的优化理论或目标。张健[14]在对多芯片模块散热系统的热-结构优化研究中分别以散热器到环境的热阻、散热系统压降和散热器重量为目标函数进行多目标优化，并在此基础之上利用熵产最小原理结合遗传算法对散热器肋片参数进行了优化设计，优化后散热器表面温度显著降低；区嘉洁[23]在对燃气客车发动机舱多场耦合强化散热的研究中，利用场协同原理，针对发动机舱不同部位的结构及流场特点，以温度梯度“核心流最小-热边界最大”强化散热原则对发动机舱结构进行了优化研究，优化后发动机舱散热效果提高显著。

5 新材料在电力电子散热研究中的应用

随着研究发展不断深入，在各结构层次中均有新材料的应用：在开关器件中，SiC等宽禁带半导体材料的应用；在相变散热中，新型高可靠性相变介质的应用；在热界面材料中，各种成分的液态金属的应用等。

5.1 SiC基宽禁带半导体材料的应用

SiC作为第三代半导体材料，具有高热导率、高击穿场强和高键合能等优点，可以满足现代电力电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，因而在大功率半导体器件的应用中有广阔前景[45]。SiC材料在大功率开关器件中的应用能够大大提高器件的耐高温工作能力，降低散热要求，从而降低整体体积和重量。随着SiC材料制备技术的不断进步，使得SiC材料的生产成本在不断降低，近年来以SiC材料为芯片的大功率开关器件不断涌现，针对相应器件开展的研究也日益增多。栾晓腾等[46]在大功率条件下SiC器件与交错并联Buck电路相结合，并与Si器件进行对比，研究表明两者的结合对提高电路整体效率、减小电路体检具有很好的效果；苏敏等[47]将SiC MOSFET应用于移相全桥ZVS变换器中，通过实验和仿真发现，新材料的应用大大提高了直流变换装置的效率、增大了直流变换装置的功率密度，减小了直流变换装置的体积尺寸，提高了变换装置的可靠性。

5.2 新型相变材料的应用

基于相变材料的相态变化吸收潜热的散热技术，其散热能力能够比传统的温差散热技术高出数倍甚至数十倍，因此具有广阔的发展前景，但由于相变材料的成本及可靠性等因素，限制了其应用。研究出低成本、高可靠性并且具有合适相变温度的材料一直是研究人员的关注热点。刘业凤等[48]针对三元锂离子电池组设计了基于膨胀石墨/石蜡复合定型相变材料的散热结构，并研究了石墨含量和环境温度对该PCM材料散热性能的影响，为下一步基于PCM的电池组散热结构的优化提供了基础；An等[49]同样对基于石蜡/膨胀石墨的复合相变材料展开研究，通过实验发现复合相变材料比纯石蜡具有更好的散热性能，并且对复合相变材料中膨胀石墨的含量对材料散热性能的影响展开研究，通过对比发现当膨胀石墨含量为6%时，复合相变材料拥有最佳的散热性能。

5.3 新型热界面材料的应用

在散热系统设计中，从器件表面到散热器表面的热量传递过程容易被忽略。实际结构中，由于器件和散热器表面是固体之间的接触，在微观尺度上不可避免的存在空隙，由于空气的导热性能较差，远低于金属的导热率，两金属接触面之间会产生较大的接触热阻，使两界面之间温差较大，严重制约了整个系统的散热效果。因此，合适的热界面材料能够显著降低从器件到散热器的接触热阻，从而提高整体散热效果。热界面材料自身的热导率越高，相应的界面热阻越小，散热效果也就越好。近年来，随着室温液态金属的研究不断深入，以液态金属为基础的热界面材料逐渐增多。高云霞等[50]在采用微氧化法制备Ga基室温液态金属热界面材料的研究中发现，微量氧化镓的存在可显著改善液态金属的润湿性，并研究液态金属Ga及其二元、三元合金热界面材料的导热性能，对比市售导热硅脂，发现该新型镓基热界面材料，特别是其二元合金热界面材料，在大功率下工作时能够显示出更加优越的导热性能；Liu等[51]将AlN与液态金属和聚二甲基硅氧烷相结合，合成一种新型的复合热界面材料，研究表明该新型热界面材料的导热系数和接触热阻均优于现有产品，并且粘度适当，降低了溢出风险。并在CPU上测试了该产品的实际使用效果，散热性能优越，具有广阔的应用前景。

6 结论

本文对现有大功率电力电子器件的散热研究进行了详细介绍分析。在解决大功率电力电子器件的散热问题时，首先要以热力学理论为基础，从热力学基本定律出发；重视新材料的研发与生产，不论是散热材料还是热界面材料，新材料均有着无可比拟的优势，研发热性能优越的新材料，并降低生产应用成本，使其能够广泛普及，才能够充分发挥出现有散热技术的散热潜力，提高散热效果。对于新的散热技术的研究也要继续深入，现有散热技术从被动到主动，从自然对流到强迫风冷再到强迫液冷，以及从单相散热到多相散热的发展过程中，热流密度已大幅度增加，新型散热方式虽然会不可避免的伴随着整体结构的改变，但其热流密度的提高是显著的，对提高设备整体的散热效果具有重要意义。