IGBT用3D復合熱管散熱器的數值模擬與實驗驗證

楊雄鵬^1,2,3， 張磊^2,3，曹倫^2,3

（1.西安交通大學，陜西西安 710049；2.特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安 710065；

3.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊830011）

 

摘要：IGBT元件廣泛應用于變頻器、逆變器、電力傳動等各個方面，隨著其工作熱耗和自身體積功率密度的不斷增大，其散熱設計的好壞，直接關系到其運行的穩定性、可靠性及使用壽命。本文以3D復合熱管散熱器應用于IGBT模塊冷卻系統為研究對象，詳細介紹了其結構組成和工作原理，并通過數值仿真模擬和實驗驗證，充分評估了其應用優勢，可在有限的結構空間下，使得超高功率密度IGBT模塊的溫度得到非常好的控制，使得器件長期安全可靠穩定地工作，提高了整機產品的可靠性。

關鍵詞：IGBT；復合相變；熱管散熱器

中圖分類號：

      IGBT with a 3D composite heat pipe Numerical simulation and experimental validation of the radiator

YANG Xiong-peng^1,2,3，ZHANG Lei^2,3，CAO Lun^2,3,

(1. Xi'an Jiao Tong University， Shaanxi, Xi'an 710049，China；

 2. TBEA Xi’an Electric Technology Co. Ltd，Xi’an 710065 China；

3. TBEA Sunoasis Co. Ltd，Urumchi 830011，China）

Abstract：IGBT components widely used in all aspects converters, inverters, power transmission, etc., with their work and their own heat consumption is increasing volumetric power density, the thermal design is good or bad, is directly related to the stability of its operation, reliability and service life. In this paper, 3D composite heat pipe radiator cooling system applied to IGBT module for the study, details of their structure and working principle, and by numerical simulation and experimental verification, a full assessment of the advantages of its application, available for a limited under the structure of space, making the high power density of the IGBT module temperatures get very good control, so that the device is safe and reliable and stable long-term work to improve the reliability of the whole product.

Keyword：IGBT; composite phase change; heat pipe heatsink

  

1  引   言

  

 

基金項目：國家“863”項目（2011AA05A305） 定稿日期：2015-07-08 作者簡介：楊雄鵬（1983.12），男，甘肅平涼人，碩士研究生，主要從事流體和傳熱研究。

近年來，IGBT向著高壓、高速、高頻、大容量、小型化、集成化的方向發展，使得IGBT單位容積發熱量越來越大，過熱成為了IGBT故障的首要原因。為了使IGBT模塊正常工作，需要進行散熱設計，使其工作溫度控制在可容許最大結溫（T_jmax）以下。因為溫度如果超過這個允許值，IGBT模塊性能將會明顯下降，并不能穩定工作，從而影響IGBT模塊運行的可靠性。如果熱設計不合理，將會導致IGBT故障，甚至燒毀。因此，如何為IGBT設計性能可靠、使用靈活、結構緊湊、散熱高效、不用維修的散熱器，成為電力電子設備冷卻領域的熱門研究課題。^[1]

傳統的單相流體的對流換熱方式只能適用于熱流密度不大的電力電子設備。因此必須設計開發新的散熱手段以滿足IGBT高熱流密度散熱的要求。熱管散熱器是結合先進的熱管技術及環肋散熱技術，與傳統散熱器相比又稱為相變散熱器，適合高熱流密度情況下的散熱，可滿足IGBT對散熱器緊湊、可靠、靈活、高效散熱、不要維修等要求。^[2]

2  熱管結構及工作原理

熱管的基本工作原理如圖1所示，典型的熱管有管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內抽成1.3X(10^-1~10^-4)Pa的負壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。其工作機理是工質液體與吸液芯之間產生的表面張力必須大到能克服管內壓降，并維持工質液體循環。當熱管的一蒸發段受熱時毛細芯中的液體蒸發汽化，蒸汽在微小的壓差下流向冷凝段放出熱量凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段，如此循環工作。^[3]

圖1 熱管原理示意圖

3D復合相變熱管散熱器，如下圖2所示，基板與復合超導平板熱管（FHP）組成3D連通的相變傳熱體系，相變基板受熱時，工質吸收熱量，相變為蒸汽，蒸汽沿蒸汽通道將熱量傳遞至每片熱管（FHP）管道，并將熱量傳遞至遠端，FHP散熱翅片進行熱量交換，釋放熱量，工質冷凝回流至相變基板區，從而形成熱量交換循環。

圖2 3D復合熱管熱流循環示意圖

3  數值仿真及實驗

3.1 仿真建模

由于熱管的傳熱存在復雜的相變（汽態-液態-汽態）情況，因此若要通過數值分析方法對熱管的傳熱進行分析，將涉及到復雜的計算流體動力學分析，熱管的內部結構使得流體的邊界條件十分復雜，而且真空的內部傳熱情況無法實驗驗證。因此對其進行真實建模是無法做到的。

本文根據熱管的導熱機理，將結構復雜的熱管用具有很大熱傳導系數的簡單導熱體來近似，將基板和FHP的導熱系數分別設置為：Kx=30000w/m.k；Ky=30000w/m.k；Kz=400w/m.k，以等效簡化熱傳導仿真模型，物理模型如下圖3所示，結構框架尺寸為：490mm*290mm*400mm，其FHP厚度4.2mm。

圖3 3D復合熱管散熱器結構模型

3.2 控制方程

流體與傳熱一般要遵循三個最基本的守恒定律：質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。

（1）質量守恒方程

（2）動量守恒方程

（3）能量守恒方程

其中，u、v、w是速度矢量V在直角坐標系x、y、z方向上的三個分量；為流體的粘性系數；p 為流體微團所在處的靜壓力；F_x、F_y、F_z是體積力在x、y、z方向上的分量；?為流體的導熱系數；c_p為流體的定壓比熱容。對于不可壓縮粘性流體的層流及湍流流動都適用。

3.3 數值模擬

本文通過CFD軟件進行數值模擬，初始條件為：（1）環境50℃、3000m海拔；（2）單個IGBT模塊的熱耗P=2992W；Rjh=（3）選擇抽風方式，風機選用德國施樂百RH40M型號，PQ曲線如下圖4所示：

圖4 RH40M風機PQ曲線示意圖

3.4 模擬結果

如下圖5、圖6所示，3D復合熱管散熱器溫度場、壓力場、速度場均已收斂平衡，此可確保仿真結果。

圖5 收斂平衡曲線

 

圖6 溫度監控點平衡曲線

IGBT用3D復合相變熱管散熱器模擬結果如下圖7、圖8所示，IGBT殼溫分別是97.7℃、97.8℃、97.9℃，即得到各IGBT溫升分別為47.7℃、47.8℃、47.9℃。速度粒子流云圖如圖9所示。

   圖7 IGBT表面殼溫云圖

圖8 IGBT用3D復合熱管散熱器云圖

圖9  整機速度粒子流云圖

3.5 實測驗證

在環境溫度26.9℃，接近海平面的上海工程實驗室，按下圖10搭建整機實驗平臺，采用RH40M風機抽風，各IGBT的殼溫分別為：62.4℃、62.5℃、62.6℃，即得到各IGBT溫升分別為35.5℃、35.6℃、35.7℃。

圖10  整機實驗平臺搭建

3.6 模擬結果與實測結果對比

考慮海拔對空氣換熱系數的影響，有：

式中：，分別為高空和海平面的空氣換熱系數；，分別為高空和海平面的大氣壓力，牛頓冷卻公式為Q=A，假設換熱量Q不變，可推知在3000m海拔工況下的模塊溫升是海平面工況下的1.35倍。通過上述關系將實驗室測試結果修訂到3000m海拔工況，得到各IGBT的溫升分別為：47.9℃、48℃、48.2℃。

通過對比實驗數據和數值模擬結果，兩者評估的結果是一致的，可知該數值模擬結果是準確的，該數值模擬過程是可行的。

再根據Rjc=19.5K/KW, △Tjc=24.4℃可推算，在環境溫度50℃，3000m海拔工況下，采用3D復合熱管散熱器，各IGBT的最終結溫分別為：122.3℃、122.4℃、122.6℃，距國軍標II級（0.8）降額點140℃還有充足余量，可保證IGBT模塊長期安全可靠穩定運行。

4   結論

隨著IGBT模塊單位體積功率密度的不斷增大，熱管作為傳熱元件越來越多地運用于散熱系統中，尤其是3D復合熱管散熱器，其具有體積小，導熱性能更加優良，散熱效率更高等優勢，逐漸被應用于超高功率密度的IGBT散熱設計系統中。可在有限的結構空間下，使得超高功率密度IGBT模塊溫度得到很好的控制，使得器件長期安全可靠穩定地工作，同是保證了整機產品的可靠性。

參考文獻

[1]       盧申林．電子產品的散熱設計［Ｊ］．可靠性分析與研究，2004，12：46-48.

[2]       劉紅.熱管散熱器數值仿真模型．浙江：半導體光電，2012.4.

[3]       孫志堅.電子器件回路型熱管散熱器的數值模擬與試驗研究．浙江大學，2007.