牵引变流器中IGBT 模块的高效热管冷却系统设计∗

冉娅东 郑庆祥 金积德∗

(1.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070)

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)具有体积小、功率高，热流密度大等特点[1]。而温度是影响其寿命的重要因素[2]，高温易导致其内部出现老化、失效等故障[3－5]。因此，对模块进行高效散热十分重要。

目前，IGBT 模块的常规散热方式主要是强迫风冷、液冷散热等。风冷散热系统经济、安全，但主要适用于小功率IGBT 模块，且散热能力提升有限。液冷散热系统虽散热高效，但需配备完整的液冷管路等装置，增加了散热系统的重量、体积、成本及可靠度等疑虑[6－8]。近年来，热管作为一种在电子芯片散热领域应用广泛的高效导热器件，其具有传热快、导热量大、可靠性高等优点[9]，若将之与强制风冷机制结合并合理运用于IGBT 模块，则能够在有效解决模块散热问题的同时兼备经济高效、重量轻、安全可靠等特点，因此如何提高热管散热器的散热性能至关重要。目前，IGBT 模块用热管散热器其散热性能的提升主要集中在热管外形的改造及翅片的结构设计。文献[10－11]提出的热管散热器结构是采用常规做法将经折弯、打扁的热管嵌入一体成型的散热器基座中，以通过增加基板的传热量及均温性来提高散热器的散热性能。文献[12－13]通过对翅片进行开孔、添加针翅等方式，以增加单个翅片的散热面积来提高传热量。文献[14－16] 通过对热管的蒸发腔室进行改进来提升散热器整体的传热性能。文献[17]则是通过在IGBT 模块与散热器基座之间添加平板微热管的方式对散热模组进行了改进。

上述散热器的设计，虽然能够在一定程度上提升其散热性能，但亦受成本、加工难度、散热体积等因素综合制约。对于热管嵌入散热器基板的结构形式，翅片导热热阻的存在使温度在其高度方向上分布差异较大，导致翅片均温性不佳，而具有良好均温性的翅片可提高模组的散热效率，同时克服徒增翅片散热面积所带来的大体积重量等问题。此外，对热管进行折弯、打扁等外形处理方式也会在一定程度上降低其传热性能。因此，如何在设计上尽可能保有热管的最大效应，以及该以何种布置方式让翅片均温性最优化，以达到最佳散热效率成了关键的课题。鉴于目前文献中以通过提升翅片均温性的方式来提高散热器的散热性能未做深入研究，本文结合工程应用实例，以某磁浮列车牵引变流器中的IGBT 模块为研究对象，设计了一款翅片具有良好均温性的热管分层嵌入式散热器，并对其进行了数值模拟，进而验证了该散热器的散热可行性。

1 新型散热模组设计

本研究所探讨的磁浮列车牵引变流器其功率器件采用英飞凌(Infineon)公司生产的IGBT 模块(型号为FZ1500R33HE3)，热损耗为1 650 W。列车的每组电机(三相，负责将电能转变成机械能驱动列车运行)需配备3 个模组，共计12 颗IGBT 模块，每个模组包含4 颗此模块，且需在有限的空间内进行驱动。因此，单个模组的散热设计需要在420 mm×370 mm×120 mm 的空间内对6 600 W 的热量进行有效散热。

图1 为针对单个模组所设计的一种新型的热管分层嵌入式散热器结构(以下简称新型模组)，单个翅片尺寸为370 mm×106 mm×0.5 mm，相邻翅片中心间距2.4 mm，用于对4 个IGBT 模块进行有效散热。IGBT 模块与散热器之间以铜底板连接，铜板尺寸为420 mm×370 mm×12 mm，两侧未经打扁的U型结构热管分别穿插在铜底板下缘及翅片间，可使芯片传至铜底板的热量经由热管的分层(双层)布置结构均匀分布至翅片散热器，让散热器均温性最优化，可进一步提高模组的整体散热效率。

图1 新型模组结构

为验证新型模组的散热性能，基于目前常规热管与散热器常见的结合方式，建立了如图2 所示的传统热管散热器结构(以下简称传统模组)，以进行对比分析。其中，翅片与散热器基板采用一体成型结构，热管被适度打扁并被嵌入进散热器基板。

图2 传统模组结构

2 数值模拟

2.1 CFD 数学模型

热量传递方式包含热传导、热对流与热辐射三种。由于采用强制风冷，且模组通过热辐射传递的热量较少，故忽略重力及辐射换热，且将空气视为理想气体。基于以上假设，根据质量守恒、动量守恒和能量守恒定律建立的流体CFD 数学模型如下:

(1)质量守恒方程

式中:ρ为流体的密度，kg/m3；t为时间，s；ux、uy和uz为流体在x、y、z三个方向上的速度分量。

(2)动量守恒方程

式中:p为流体压强，Pa；X、Y、Z分别为单位质量流体的体积力在x、y、z方向上的分量；ν为流体的运动粘度，m2/s；ν∇2ux、ν∇2uy、ν∇2uz分别为流体在x、y、z方向受到的粘滞力。

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(3)能量守恒方程

式中:dU/dt为流体微元内能增长速率，J/s；k为导热系数，W/(m·K)；T为温度；q为单位体积流体生成的热速率，J/(m3·s)；ϕ为单位体积流体产生的摩擦热，J/(m3·s)。

2.2 几何模型的简化

通过Creo 软件建立原始的三维模型，并导入FloMCAD 进行模型的简化。由于倒角、小孔等微小特征对仿真结果影响不大，但会大大增加仿真计算量，因此可直接去除。

典型的IGBT 模块其内部芯片涉及多层封装，且各层的材料尺寸及属性不一致，建立完整的模型较为复杂。因此结合说明手册的芯片热阻信息，建立如图3 所示的IGBT 模块简化模型，在各芯片与基板之间直接赋予热阻值。

图3 IGBT 模块简化模型

2.3 网格划分及检查

网格的好坏直接影响数值计算结果，在保证计算精度的情况下数量需合理，避免数量过大而增加计算成本，同时又不可忽略小尺寸部件网格的划分。由于模型为复杂的装配体，翅片及芯片的厚度较小，需对其施加局域网格，保障翅片及芯片的厚度方向至少有两层网格。风扇、翅片的流体进出口处需设置膨胀网格并适当增加网格密度，用于详细描述该位置变化较快的参数，同时减少残差积累。Flotherm软件中均采用正交网格，评判网格质量的标准主要是网格的最大长宽比，且小于20 较为理想。模型网格划分的数量为1 020 万个，且最大长宽比为14.6，满足小于20 的要求。

2.4 边界条件设置

散热模组在限制的空间内运行时，其散失的热量同时会使其运行的环境温度上升，保守情况下，设定环境温度为45 ℃。对于IGBT 模块，忽略其内部小元器件发热，假设热量全部集中在IGBT 芯片与续流二极管FWD 上，为保障模块安全运行，按产品说明书内容，此模块的操作条件必须将芯片结温控制在125 ℃之下，同时保持一定的温升余量，此外，模块底板的底面温度不超过90 ℃为佳[18]。热管内部由于涉及复杂的相变传热，难以数值模拟其相变过程，将其近似为一根具有高导热系数的金属材质，导热系数取K＝15 000 W/(m·K)[19]。散热器、铜板、IGBT 模块底板及界面材料等采用表1 中的参数进行设置。

表1 材料参数

为对翅片的均温性进行研究，进行了翅片温度测点位置的布置，如图4 所示。

图4 翅片温度测点分布图

3 仿真结果对比分析

新型模组与传统模组所设置的边界条件均相同，并通过研究IGBT 热源、翅片的温度场，模组的压力场及散热器的最大热阻来分析其散热性能。

3.1 翅片表面温度场分析

由于散热器翅片数量较多，无法对每个翅片单独进行分析，因此选取了风速为10 m/s 时，两种散热模组中相同位置的单个翅片进行分析，其温度分布云图如图5 所示。

图5 翅片温度分布云图

图5 中(a)、(b)分别为新型模组、传统模组的翅片温度分布云图，翅片左侧为进风口，上部为热源端。翅片温度分布均表现出右上方区域较高，左下方区域较低的现象。这是因为在进行强制风冷时，空气在翅片间的流道中会随着距离拉长逐渐被加热，导致下游的空气其冷却效果降低。此外，由于翅片高度较大，增加了导热热阻，使得热量在翅片高度方向上传递阻力较大，温度分布不均匀，热量趋于集中在翅片上部，出现热累积现象。对比两种结构，(a)中翅片整体温度分布较(b)均匀，且温度最大值降低了16.4 ℃，说明新型模组能够在一定程度上减小传统模组存在的翅片热累积现象。

图6 为两种模组的翅片其测点温度分布图，从测点位置分布可以看出，传统模组的翅片其温差变化最大的位置主要在上行与中行之间，而新型模组的翅片则是减小了这种变化程度，且在各行之间各测点的温差更小，分布位置相对传统模组更集中，说明新型模组翅片具有更好的均温性能。

图6 翅片测点温度分布图

上述是从直观角度观察翅片温度的分布，引入温度均匀性系数[20]进行定量分析，定义如下:

式中:λ为温度均匀性系数，其值越小，表示温度分布越均匀。¯T为测点温度的平均值，℃；δ为测点温度的标准差，计算公式如下:

图7 为两种模组结构的翅片在不同的风速下，其翅片温度均匀性系数随风速的变化趋势。由数据分析可知，翅片的温度均匀性系数均随着风速的增加而不断降低，表明风速越大时，翅片的均温性越好，这是由于风速加大时，单位时间内通过流道的风量增加，携带走的热量也会更多，同时由于空气通过流道的时间变短，空气被加热的程度较低，因而对翅片下游的冷却效果较低风速时更好，翅片的均温性能得到相应的提高。同时可以看出，两种模组的翅片在各风速下，新型模组的翅片都展现出了更好的均温性能。

图7 翅片温度均匀性系数随风速的变化

3.2 IGBT 热源表面温度场分析

由于散热模组为对称结构，因此对两种模组其右半边的IGBT1 与IGBT2 进行分析。图8 为风速为10 m/s 时所对应的IGBT 热源温度分布云图。分析可知，两种模组结构中，IGBT2 的温度整体明显高于IGBT1，且芯片温度最大值也分布在IGBT2 中，其原因与翅片温度分布情况相同，且符合一般传热规律。在新型模组结构下，热源最高温度为89.1 ℃，比传统模组的热源温度最大值106 ℃降低了16.9 ℃。

图8 IGBT 热源温度分布云图

图9 为两种模组结构的IGBT 芯片温度最大值、IGBT 模块底板的底面温度最大值随风速的变化趋势，由图中可以看出，两者均随着风速的增加而降低，且新型模组的芯片温度最大值均低于传统模组。结合图7 进行分析，在各风速下，翅片均温性更好的新型模组展现出了更好的散热性能。此外，对于IGBT 模块底板的底面温度而言，新型模组在设置的风速下均低于传统模组，且小于90 ℃，说明新型模组的设计符合散热要求。

图9 各温度最大值随风速的变化

3.3 散热器最大热阻分析

散热器的最大热阻可以作为评价散热器散热性能的指标，其值越低表明散热器的散热性能越好，计算公式如下[14]:

式中:Rmax为散热器的最大热阻，℃/W；Ts－max、Ta分别为散热器表面的最大温度及环境温度，℃；P为热源的热损耗，W。

图10 为两种模组结构在不同风速下其散热器的最大热阻随风速变化的趋势。从图中可看出，新型模组散热器的最大热阻值在不同的风速下均低于传统模组，且平均降低34%，说明新型模组散热器的传热阻力更低，散热性能更佳。

图10 最大热阻随风速的变化

3.4 模组进出端压力分析

图11 为两种模组在不同风速下，其进出风口压降的变化曲线图。可以看出，两种模组其进出风口压降均随着风速的增加而不断上升，且新型模组结构的压降明显大于传统模组结构。这是因为传统模组的翅片流道内由于没有热管横穿，对空气的流动没有阻碍作用，而新型模组结构则在翅片流道内横穿了两层热管，对空气流动的阻力加大，进而压降更为明显。因此，新型模组散热性能的提升是以增大系统压降为代价，在保证芯片及模块底面温度符合要求的情况下，适当的降低风速或者提高风压都能够在一定程度上减小这种不利影响。

图11 压降随风速的变化

4 结论

本文结合热管设计了一种新型的热管分层嵌入式散热器，能有效改善传统模组存在的翅片均温性不佳等问题，并基于Flotherm 软件分析了新型模组的翅片及热源的温度场、模组的压力场及散热器的最大热阻值在不同风速下的变化情况。在与传统模组进行对比和验证后，可得到以下结论:

(1)新型模组同时满足使芯片的最高温小于125 ℃，模块底板底面的最高温小于90 ℃的要求，且两者的最高温均随着风速的增加而降低，说明所设计的新型模组满足使用要求。

(2)新型模组的翅片温度均匀性系数及相对应的芯片温度最大值在不同风速下均低于传统模组，且散热器的最大热阻平均降低34%，说明新型模组的翅片均温性更好，其模组的散热性能较传统模组更突出。

(3)新型模组进出风口的压降随风速的增大而增加，且由于翅片流道内热管的横穿，其压力降低的程度大于传统模组。

(4)设计的新型模组对牵引变流器功率器件的散热具有一定的普适性，同时可为今后热管散热器的设计及改进提供指导。此外，新型模组其翅片流道的风阻较大，可在后期工作中做进一步优化。