羅冰洋　黃麗婷　莫易敏　袁　慕

摘要：為了優(yōu)化水冷散熱器散熱能力，保障其可靠工作，引用了傳熱學(xué)中的基本原理與公式，以散熱器外形的機(jī)械尺寸、水的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)和水的導(dǎo)熱系數(shù)作為參數(shù)及變量推導(dǎo)了散熱器水冷熱阻的計(jì)算公式。同時(shí)為了滿足實(shí)際應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了一種專用水冷散熱器熱阻計(jì)算和曲線繪制軟件，可以顯示熱阻隨參數(shù)變化而變化的各種曲線，也可以直接計(jì)算顯示熱阻值。為散熱器的設(shè)計(jì)中參數(shù)的優(yōu)化選擇提供直觀方便的參考。

關(guān)鍵詞：水冷散熱器； 熱阻計(jì)算； 軟件； 大功率IGBT散熱器

中圖分類號(hào)：TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004?373X（2013）02?0165?03

和諧型電力機(jī)車是采用大功率半導(dǎo)體技術(shù)的交直交變流型電力機(jī)車。由于其具有先進(jìn)的交流變頻調(diào)速、再生發(fā)電制動(dòng)、大功率交流電機(jī)控制和自動(dòng)化程度高等技術(shù)特點(diǎn)，使其在鐵路主干線運(yùn)輸中的高速大功率機(jī)車上廣泛應(yīng)用。每臺(tái)機(jī)車的變流器使用了三種IGBT模塊，即：四象限斬波器（4QC）模塊、電機(jī)側(cè)逆變器模塊（Inv）和輔助逆變器模塊。對(duì)某機(jī)務(wù)段2009年7月到2011年5月4日為止的305臺(tái)HXD1B電力機(jī)車變流器故障進(jìn)行調(diào)研，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，合計(jì)共有4 880個(gè)模塊在使用，出現(xiàn)故障255件次，出故障的IGBT 模塊顯示至少有一個(gè)IGBT 芯片失效，至今為止還未見(jiàn)除功率半導(dǎo)體器件外的原因造成的模塊故障，這種故障隨著季節(jié)性環(huán)境溫度的升高而增多。由此推斷，IGBT失效與其散熱狀況密切相關(guān)，所以對(duì)于電子器件的冷卻和散熱成為后期研究的重點(diǎn)之一。通過(guò)研究器件的冷卻和散熱問(wèn)題，對(duì)其散熱條件進(jìn)行優(yōu)化改造，使其能盡量長(zhǎng)時(shí)間工作在溫度適宜的環(huán)境下，降低事故發(fā)生率，從而對(duì)于維護(hù)鐵路機(jī)車安全運(yùn)行有重要作用。

本文通過(guò)對(duì)大功率IGBT散熱器的散熱過(guò)程分析，先引用了傳熱學(xué)中的基本原理與公式，將熱阻的計(jì)算分為散熱器內(nèi)固體傳熱過(guò)程產(chǎn)生的導(dǎo)熱熱阻以及散熱器與冷卻液間的傳熱過(guò)程產(chǎn)生的對(duì)流換熱熱阻兩部分，以散熱器外形的機(jī)械尺寸、水的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)和水的導(dǎo)熱系數(shù)作為參數(shù)及變量推導(dǎo)了散熱器水冷熱阻的計(jì)算公式。為了簡(jiǎn)化分析，編制了用于熱阻計(jì)算的軟件。該軟件具有簡(jiǎn)單清晰的操作界面，可以顯示熱阻隨參數(shù)變化而變化的各種曲線，也可以直接計(jì)算顯示熱阻值。為散熱器的設(shè)計(jì)分析提供直觀方便的參考。

1 傳熱學(xué)的基本公式和原理

1.1 熱傳遞的原理與基本方式

熱傳導(dǎo)導(dǎo)熱的基本公式[1?3]為：

2.2 熱阻計(jì)算說(shuō)明

下面用實(shí)例說(shuō)明圖5，圖6熱阻曲線的制圖過(guò)程。在“1.3實(shí)例”中已經(jīng)計(jì)算出串聯(lián)A模型，B模型的總熱阻。首先，我們將水的導(dǎo)熱系數(shù)λ0.5[W/mk]， L=0.005 m，le=0.55 m，B=0.45 m填入相應(yīng)空格內(nèi)。然后選擇曲線類型。不同水的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)下，散熱器有效散熱面積與熱阻之間的關(guān)系如圖5所示。不同有效散熱面積下，水的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)與熱阻之間的關(guān)系如圖6所示。在界面左下方還有“計(jì)算水冷熱阻”，點(diǎn)擊進(jìn)入熱阻計(jì)算界面，如圖所示。按要求填入各個(gè)參數(shù)值：λ=0.5[W/mK]，L=0.005 m，le=0.55 m，B=0.45 m，h=1 000 [W/m2K]當(dāng)輸入面積為1.411 8是算出熱阻值為92.502 801 066 337[cm2K/W]，與上面公式計(jì)算模型A結(jié)果92.503[ cm2K/W]相吻合。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文主要介紹了利用傳熱學(xué)基礎(chǔ)原理和公式推導(dǎo)的大功率半導(dǎo)體器件用散熱器水冷熱阻計(jì)算公式和為應(yīng)用方便開(kāi)發(fā)的此公式的熱阻計(jì)算和熱阻曲線繪圖計(jì)算機(jī)軟件，經(jīng)實(shí)例計(jì)算和曲線的繪制，可用于水冷散熱器設(shè)計(jì)時(shí)參考。要注意的是本公式的精確性受到多重因素的影響，存在一定的誤差，且本文中所用的散熱器熱阻公式只適合水冷散熱器。

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