楊雄鵬，張 磊，曹 倫

(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)

IGBT用3D復(fù)合熱管散熱器的數(shù)值仿真與實驗驗證

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)

IGBT元件廣泛應(yīng)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(shè)計的好壞直接關(guān)系到其運行的穩(wěn)定性、可靠性及使用壽命。文中以應(yīng)用于IGBT模塊冷卻系統(tǒng)的3D復(fù)合熱管散熱器為研究對象，詳細介紹了其結(jié)構(gòu)組成和工作原理，并通過數(shù)值仿真和實驗驗證，充分評估了其應(yīng)用優(yōu)勢。該散熱器可在有限的結(jié)構(gòu)空間下，使得超高功率密度IGBT模塊的溫度得到很好的控制，使得器件長期安全穩(wěn)定地工作，提高了整機產(chǎn)品的可靠性。

IGBT；復(fù)合相變；熱管散熱器

引 言

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(fā)展，使得IGBT單位容積發(fā)熱量越來越大，過熱成了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(shè)計，使其工作溫度控制在可容許最大結(jié)溫以下。因為溫度如果超過這個允許值，IGBT模塊性能將會明顯下降，并且不能穩(wěn)定工作，從而影響IGBT模塊運行的可靠性。如果熱設(shè)計不合理，將會導致IGBT故障，甚至燒毀。因此，如何為IGBT設(shè)計性能可靠、使用靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱高效、不用維修的散熱器，成為電力電子設(shè)備冷卻領(lǐng)域的熱門研究課題[1]。

傳統(tǒng)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(shè)備。因此必須設(shè)計開發(fā)新的散熱手段以滿足IGBT高熱流密度散熱的要求。熱管散熱器結(jié)合了先進的熱管技術(shù)和環(huán)肋散熱技術(shù)，與傳統(tǒng)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]。

1 熱管結(jié)構(gòu)及工作原理

典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，熱管的基本工作原理如圖1所示。將管內(nèi)抽成1.3×(10-1～10-4) Pa的負壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)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(zhì)液體與吸液芯之間產(chǎn)生的表面張力必須大到能克服管內(nèi)壓降，并維持工質(zhì)液體循環(huán)。當熱管的蒸發(fā)段受熱時毛細芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向冷凝段放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)工作[3]。

圖1 熱管原理示意圖

3D復(fù)合相變熱管散熱器如圖2所示，基板與復(fù)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(zhì)吸收熱量，相變?yōu)檎羝羝卣羝ǖ缹崃總鬟f至每片F(xiàn)HP管道，并將熱量傳遞至遠端，F(xiàn)HP散熱翅片進行熱量交換，釋放熱量，工質(zhì)冷凝回流至相變基板區(qū)，從而形成熱量交換循環(huán)。

圖2 3D復(fù)合熱管熱流循環(huán)示意圖

2 數(shù)值仿真及實驗

2.1 仿真建模

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

本文根據(jù)熱管的導熱機理，將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的熱管用具有很大熱傳導系數(shù)的簡單導熱體來近似。將基板和FHP的導熱系數(shù)設(shè)置為：Kx=30 000 W/(m·K)；Ky=30 000 W/(m·K)；Kz=400 W/(m·K)，以等效簡化熱傳導仿真模型。物理模型如圖3所示，結(jié)構(gòu)框架尺寸為490 mm × 290 mm × 400 mm，F(xiàn)HP厚度為4.2 mm。

圖3 3D復(fù)合熱管散熱器結(jié)構(gòu)模型

2.2 控制方程

詳見文獻[4]中1.2節(jié)“數(shù)學模型和計算方法”的內(nèi)容。

2.3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬初始條件：1)環(huán)境溫度50 ℃，海拔3 000 m；2)單個IGBT模塊的熱耗為2 992 W；3)選擇抽風方式，風機選用德國施樂百RH40M型號。

圖4是3D復(fù)合熱管散熱器的溫度平衡曲線，模擬結(jié)果如圖5、圖6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 ℃。

圖4 溫度監(jiān)控點平衡曲線

圖5 IGBT表面殼溫云圖

圖6 3D復(fù)合熱管散熱器云圖

2.4 實測驗證

在環(huán)境溫度26.9 ℃，接近海平面的實驗室搭建整機實驗平臺，見圖7。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7 整機實驗平臺搭建

2.5 模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比

考慮海拔對空氣換熱系數(shù)hc的影響，有：

式中：hch和hcl分別為高空和海平面的空氣換熱系數(shù)；Ph和Pl分別為高空和海平面的大氣壓力。牛頓冷卻公式為Q=hcAΔT，A為散熱器的有效換熱面積，ΔT為散熱器進出風口的空氣溫升，假設(shè)換熱量Q不變，可推知在3 000 m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(guān)系將實驗室測試結(jié)果修訂到3 000 m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(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，兩者評估的結(jié)果是一致的，可知該數(shù)值模擬結(jié)果是準確的，該數(shù)值模擬過程是可行的。

再根據(jù)IGBT芯片的結(jié)殼熱阻Rjc=19.5 K/kW，IGBT芯片內(nèi)部到外殼的溫升ΔTjc=24.4 ℃可推算得到：在環(huán)境溫度50 ℃，3 000 m海拔工況下，采用3D復(fù)合熱管散熱器，各IGBT的最終結(jié)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(wěn)定運行。

3 結(jié)束語

隨著IGBT模塊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(tǒng)中，尤其是3D復(fù)合熱管散熱器。3D復(fù)合熱管散熱器具有體積小、導熱性能更加優(yōu)良、散熱效率更高等優(yōu)勢，逐漸被應(yīng)用于超高功率密度IGBT散熱系統(tǒng)中。該散熱器可在有限的結(jié)構(gòu)空間下，使得超高功率密度IGBT模塊的溫度得到很好的控制，使得器件長期安全穩(wěn)定地工作，提高了整機產(chǎn)品的可靠性。

[1] 盧申林. 電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計[J]. 電子質(zhì)量, 2004(12): 46-48.

[2] 劉紅, 童思成, 蔣蘭芳. 熱管散熱器數(shù)值仿真模型[J]. 半導體光電, 2012, 33(2): 194-196, 200.

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

[4] 楊雄鵬, 張磊, 曹倫, 等. IGBT用水冷板式散熱器的數(shù)值模擬[J]. 電子機械工程, 2014, 30(2): 43-45, 56.

楊雄鵬(1983-)，男，碩士，主要從事流體和傳熱研究。

Numerical Simulation and Experimental Validation of 3D Composite Heat Pipe Radiator for IGBT

YANG Xiong-peng1,2,3，ZHANG Lei2,3，CAO Lun2,3

(1.Xi′anJiaoTongUniversity,Xi′an710049,China；2.TBEAXi′anElectricTechnologyCo.,Ltd.,Xi′an710065,China；3.TBEASunoasisCo.,Ltd.,Urumchi830011,China)

IGBT components are widely used in converters, inverters, power transmission, and so on. With the continuous increasing of their heat consumption and volumetric power density, the quality of their thermal design is directly related to the operation stability, reliability and service life. In this paper, the 3D composite heat pipe radiator applied to IGBT module cooling system is studied, its structure and working principle are presented in detail. A full assessment of its application advantages is performed through numerical simulation and experimental verification. The heat pipe radiator in a limited structure space is able to control the temperature of the IGBT module with very high power density very well, so that the device can operate safely and stably for a long time, and the products reliability is improved.

IGBT; composite phase change; heat pipe radiator

2015-07-14

國家“863”計劃項目(2011AA05A305)

TK124; TP391.9

A

1008-5300(2015)06-0022-03