基于STAR-CCM+的IGBT散热翅片结构设计研究

刘 祯，林 鑫，吴华伟，叶从进，耿向阳

(1. 湖北文理学院 纯电动汽车动力系统设计与测试湖北省重点实验室，湖北 襄阳 441053; 2.武汉科技大学 汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430081; 3. 湖北文理学院 汽车与交通工程学院，湖北 襄阳 441053; 4.东风电驱动系统有限公司，湖北 襄阳 441000)

0 引 言

随着石油资源的逐渐减少，大力发展新能源汽车已在世界各国成为一种必然趋势[1-2]。新能源汽车相对于传统燃油汽车有着清洁、环保及稳定等诸多好处，为了使新能源汽车能够在道路上安全平稳的行驶，车辆中的电机控制器的稳定性和安全性是众多影响因素中非常重要的一点[3-4]。

电机控制器在其狭窄的内部空间中集成有众多的元器件，而其中的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为电机控制器中的十分重要的一种元器件，在电机控制器的工作过程中将会把产生的大量热量释放到IGBT模块狭小的空间内，若不把IGBT模块所产生的大量热能及时的传导出去，就很有可能会烧毁IGBT模块内部的其他元器件，从而在很大程度上，会使IGBT模块的使用寿命降低[5-6]。这就大大的降低电机控制器的可靠性，从而影响到整车的安全性和稳定性[7-8]，故将IGBT模块产生的热量有效及时的传递出去就显得非常重要。

目前，风冷和液冷是对电机控制器进行散热处理中最为常见的两种冷却方式[9]。但是目前的IGBT模块正逐步向着大功率方向开始发展，自然风冷的冷却方式已经远远达不到IGBT模块的散热要求，故在实际工程中，强制风冷和液冷被广泛应用于电机控制器的散热。综述文献发现，国内外大多数学者只在IGBT模块的散热模式上做了重点研究。如郭宪民等[10]对冷板的气体流动散热进行了详细研究，结果表明通过冷板通道内的气体可以将模块产生的大部分热量带走，极大的提高了模块可靠性；邱海平等[11]通过研究泡沫铝翅片传热，发现气体在泡沫铝内部易产生漩涡，从而增强翅片的传热；孙微等[12]利用冷却液直接与模块的散热翅片接触，通过实验表明通过这种方式，模块的热阻得到了极大的降低。上述在散热器翅片的形状特征上所做的研究较少，故笔者针对强制风冷的冷却方式，设计出了两种不同散热翅片结构的散热器。分别对不同散热器下的IGBT模块进行理论和仿真计算，并与常规散热器的散热效果做出对比，分别得到了每种散热器下IGBT模块的散热特性，分析了翅片几何特征对IGBT模块散热的影响规律。

1 几何模型建立与简化

通过三维软件UG建立了文中所需要的IGBT模块简化模型，如图1，该模型主要包括2个风扇、1个铜基板、8个主芯片以及1个铝合金散热器。其主要几何结构参数为：基板长214 mm，宽98 mm，高4 mm；主芯片长8 mm，宽8 mm，高0.32 mm。其中为了简化模型，在仿真计算时，直接散热器的侧部的空气进口边界设为速度入口来模拟风扇效果。散热表面积作为影响IGBT模块散热一个重要因素，在相同条件下，散热器的散热表面积越大，其散热效果越好，故笔者在常规形散热翅片的基础上，设计了等腰三角形和等腰梯形散热翅片。图2 (a)为常规形散热翅片图，后面两种散热翅片的长宽高参数与常规形散热翅片相同。翅片长214 mm，宽2 mm，高30 mm。图2 (b)为等腰三角形散热翅片图，其中翅片上的三角形凹槽底边为3 mm，高为1 mm。图2 (c)为等腰梯形散热翅片，其中翅片上的梯形凹槽上底为1 mm，下底为3 mm，高为1 mm。

图1 IGBT模块简化模型

图2 3种散热翅片结构

2 理论计算分析

故文中简化后的IGBT模块在工作过程的总热阻为：

R=Rjc+Rch+Rha

(1)

其中：

(2)

式中：a为IGBT芯片到散热器的距离；K为其导热系数，取390 W/(m·k)；A为IGBT芯片与散热器之间的横截面面积。

(3)

式中：h为散热器的高度；Kl为散热器的导热系数，为193 W/(m·k)；S为散热器翅片的长度；d为散热器翅片的厚度；n为散热器翅片的数量。

(4)

式中：b为基板的厚度；Ab为散热器的有效散热面积；Ps为IGBT模块总的发热功率；C1为散热器的安装状态系数，因为文中的散热器的安装方式为垂直安置，故取C1=0.5；C2为在强制风冷的情况下，散热器的相对热阻系数，风速大小为8 m/s，故取C2=0.3；C3为IGBT模块外部空气的换热系数，IGBT模块所处的空气流场主要是层流，故取C3=0.15。

在进行IGBT结温Tj理论计算之前,可以将IGBT模块的整个散热系统简化并等效为计算网络,如图3。

图3 散热系统等效网络

图3中：Tc为基板的温度；Th为散热器的平均温度；Ta为IGBT模块整个散热系统所处的外部环境温度(26.85 ℃)。故有：

Tj=Tc+Ps·Rjc+10=Th+Ps·(Rjc+Rch)+10=Ta+Ps·(Rjc+Rch+Rha)+10

(5)

则额定工况下3种散热翅片的IGBT的热阻与结温分别如表1。

表1 3种散热翅片的IGBT的热阻与结温

从表1中可以看出设计的三角形和梯形散热翅片理论结温值均小于常规形，说明设计合理，接下来将进一步对其进行仿真实验验证。

3 数值模拟

3.1 参数设置

为使计算的结果更为精确，笔者选用多面体网格对模型进行网格划分。IGBT模块的外流场、基板以及散热器的网格尺寸设为1 mm，边界层数设为3层。为保证网格质量，对主芯片进行局部加密，主芯片的网格尺寸设为0.01 mm，边界层数设为5层。因笔者所选用的散热方式为强制风冷，故需要对空气的基本属性进行设置，空气密度为1.184 15 kg/m3，导热率为0.026 03 W/(m·k)，比热为1 003.62 J/(kg·k)。散热器材料选用铝合金，其型号为常见的铝合金60系列中的6063T4铝合金，基板材料选用为铜，主芯片材料为硅，各部件在常温条件下的材料属性详见表2。单个IGBT功率设为50 W，IGBT模块所处的外部环境温度为26.85 ℃，空气进口边界设为速度入口，速度为8 m/s，空气出口边界设为压力出口。

表2 材料属性

3.2 仿真结果分析

利用STAR+CCM+软件自带的后处理器，分别求得三角形、梯形和常规形散热翅片下的IGBT模块温度场和速度矢量场的分布情况，其温度场和速度矢量场的具体分布情况见图4。

从图4可以看出，3种散热结构下的IGBT模块的温度都是明显的沿着x轴负方向逐渐增大，最高温度出现在出口端的IGBT上。常规形散热翅片下的IGBT模块温度最高为104.6 ℃，三角形散热翅片下的IGBT模块温度最高为94.9 ℃，梯形散热翅片下的IGBT模块温度最高为94.6 ℃。三角形散热翅片和梯形散热翅片较常规形散热翅片最高温度分别降低了9.6、10.0 ℃，从中可以看出三角形散热翅片和梯形散热翅片的散热能力明显优于常规形散热翅片。

图5 3种单个散热翅片切面的温度云图

从图5 不同散热翅片切面的仿真结果中可以看出，3种散热结构下IGBT模块的进口端温度都接近环境温度，而其出口端温度明显高于进口端。3种散热翅片切面的最高温度出现在靠近热源 IGBT的地方，温度沿着翅片向下逐渐减小，整个IGBT模块的温度梯度有着向后下方倾斜的趋势。图5(b)中的三角形散热翅片最高温度为89.5 ℃，比常规形散热翅片温度低9.3 ℃，说明三角形散热翅片的散热能力更强。图5(c)中的梯形散热翅片最高温度为88.4 ℃，比三角形散热翅片的温度略低，说明梯形散热翅片的散热性能在三角形散热翅片的基础上有所提高。并且从图中可以看出，梯形散热翅片的温度分布较前面两种散热翅片更为均匀，说明散热翅片与空气的热交换更充分。

从图6可以看出，流经3种散热翅片下的IGBT模块的气流速度在逐渐减小，出口处的风速要远远小于进口处的风速，而模块的上端和下端因未受到阻碍，其速度要大于其他部位。从图6(a)中可以看出，常规形散热翅片的速度矢量分布较为稀疏，气流速度损失严重，模块后端的气流速度已远远小于模块前端。从图7中也可以看出，流经常规形散热齿片的IGBT模块后端的气流速度下降到了2.25 m/s。而从图6(b)和图6(c)中可以看出，与常规形散热翅片相比，设计的两种散热翅片下的IGBT模块的速度矢量明显更为密集，气流流失问题得到很好的解决。从图7中也可以看出，三角形和梯形散热翅片的IGBT模块后端速度分别为3.5 m/s和3.62 m/s，相比于常规形散热翅片，速度分别提高了1.25 m/s和1.37 m/s。

图6 3种散热翅片下的速度分布

图7 3种散热翅片的IGBT模块后端速度监测

从以上结果可以看出，在相同条件下，三角形和梯形散热翅片的散热器的散热性能优于常规形散热器。而IGBT模块的仿真结果与理论估算结果基本吻合。常规形、三角形形及梯形散热翅片下的IGBT理论结温分别为110.5、100.1、99.6 ℃，仿真实验的IGBT结温分别为104.6、94.9、94.6 ℃，其误差均在5%左右，表明文中所设计的两种散热翅片方案是可行的。接下来将对散热翅片进行进一步优化，使其能达到最佳散热效果。

3.3 不同条件下的仿真结果

3.3.1 翅片高度的影响

控制翅片数量、间距及厚度不变，只改变翅片的高度。分析翅片高度对IGBT模块温度的影响。得到的仿真结果如图8。

图8 翅片高度与IGBT模块结温的关系曲线

从图8中可以看出，随着翅片高度的增加，IGBT模块的结温整体呈下降趋势。翅片高度在34 mm时，模块结温下降开始变得平缓。之后，随着翅片高度的增加，模块结温变化幅度减小。考虑到材料成本等因素，翅片高度不宜取得过大。

3.3.2 翅片厚度的影响

翅片厚度作为影响IGBT模块温度的重要因素之一，对其进行进一步优化处理是很有必要的。取翅片高度为34 mm，控制翅片数量和间距不变，分析翅片厚度对IGBT模块温度的影响。得到的仿真结果如图9。

图9 翅片厚度与IGBT模块结温的关系曲线

从图9中可以看出，随着翅片厚度的增加，IGBT模块的散热能力越好。从整体上看，曲线呈下降趋势，IGBT模块温度随翅片厚度增加而减小。当翅片厚度为2.8 mm时，IGBT模块结温开始出现转折，曲线开始平缓下降。

3.3.3 翅片间距的影响

取翅片高度34 mm，翅片厚度2.8 mm，控制翅片数量不变，分析翅片间距对IGBT模块温度的影响。得到的仿真结果如图10。

图10 翅片间距与IGBT模块结温的关系曲线

从图10中可以看出，随着翅片间距的增加，常规形散热翅片IGBT模块的结温整体呈线性下降趋势，而三角形和梯形散热翅片IGBT模块的结温刚开始呈缓慢下降趋势，之后下降趋势增大，最后下降趋势变得平缓。在翅片间距为2.8 mm时，3种散热翅片IGBT模块的结温均开始平缓降低。

从以上仿真结果可以看出，在单独对翅片高度、翅片厚度、翅片间距3种影响因素进行研究分析时，影响散热效果的主要原因均是散热器的散热面积发生了变化。但3种影响因素对IGBT模块的结温的具体影响有所不同，随着翅片高度与翅片厚度的逐渐增大，IGBT模块的结温呈逐渐下降到平缓趋势。而随着翅片间距的增大，IGBT模块的结温在刚开始阶段有所变化，其结温为平缓下降趋势，之后的结温变化与前面两种因数下的结果相同。但3种影响下IGBT模块的结温整体均呈线性下降趋势。

4 结 论

通过三维绘图软件UG对3种IGBT模块进行了建模，对IGBT结温进行了理论计算和仿真实验验证，并利用STAR-CCM+软件对其在不同几何结构和风速下进行了数值模拟，得到了以下结论。

1)3种IGBT模块的结温仿真结果与理论计算结果误差均在5%左右，与常规形散热翅片的IGBT模块相比，三角形和梯形散热翅片的IGBT模块散热性能均得到了提高，梯形散热翅片的散热性能要略优于三角形散热翅片。

2)在翅片高度和翅片厚度的增加开始阶段，散热面积对IGBT模块温度的影响较大，IGBT模块结温下降明显。但随着其继续增加，散热面积的影响开始减弱，IGBT模块结温下降趋势变得平缓。

3)翅片间距在增加的开始阶段，翅片间的气流流通性增加幅值较小，IGBT模块的散热性能只有小幅度提升。当翅片间距继续增加时，气流流通性增加，通过翅片间的气流损失减小，IGBT模块的散热性能有很大程度的提升。而翅片间距再持续增长下去时，气流就会向四周扩散，IGBT模块的散热性能就会开始降低。此结果对翅片式的散热器结构设计及优化提供了参考依据。