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        功率MOSFET溫度場數(shù)值模擬研究

        2019-06-26 03:26:52朱端銀
        山東化工 2019年11期
        關(guān)鍵詞:水道穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果

        封 雷,朱端銀

        (西安石油大學(xué),陜西 西安 710065)

        電機(jī)逆變器在電動(dòng)汽車應(yīng)用中,功率模塊的可靠性與性能對電機(jī)逆變器性能具有重大影響[1-2]。實(shí)現(xiàn)逆變的功率器件有絕緣柵雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipola Transistor)IGBT和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor),電機(jī)逆變器的核心功率器件熱處理直接影響MOSFET使用的數(shù)量及整機(jī)安全性[3]。為了提高M(jìn)osfet使用效率及使用安全性,對功率Mosfet進(jìn)行有限元數(shù)值模擬熱分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)散熱方案[4],可在樣機(jī)制作前就能判斷設(shè)計(jì)是否能滿足產(chǎn)品的熱可靠性,更能將功率MOSFET發(fā)熱分布更加可視化,直觀的描述出熱分布、熱傳遞情況,于傳統(tǒng)意義上的實(shí)驗(yàn)相比更加低碳及節(jié)省經(jīng)費(fèi)。

        1 建模與設(shè)置

        根據(jù)物體表面真實(shí)流動(dòng)特性與冷卻系統(tǒng)工程實(shí)際,對實(shí)物外形進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化,建立計(jì)算相關(guān)物理模型,本文研究涉及繞流流場的數(shù)值模擬[5-6]。

        1.1 幾何建模

        圖1 MOSFET幾何模型圖

        驅(qū)動(dòng)板散熱結(jié)構(gòu)MOSFET幾何模型如圖1所示。MOSFET尺寸為10×10×3.5 mm,水道截面積12×3 mm,水包尺寸為114×65×10 mm。水道均勻分布。

        1.2 求解器設(shè)置

        模型求解使用Realizable k-e湍流方程,Scalable Wall Function處理壁面,Coupled算法求解。邊界條件設(shè)置:入口流量6 L/min,每個(gè)孔流量均為2 L/min,入口溫度65℃。

        2 計(jì)算結(jié)果及分析

        2.1 水道截面尺寸對散熱的影響

        不同截面水道對散熱的影響的計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)溫度分布,如圖2所示。水道截面的中心線位置不變,只改變水道截面的寬度和高度,不同水道截面的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

        表1 不同截面的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)表

        圖2 水道截面穩(wěn)態(tài)溫度分布圖

        水道截面高度越小,MOSFET管最高溫度越小,但壓力損失增大;水道截面高度為3 mm時(shí),水道寬度的減小只會(huì)令壓力損失變大,而MOSFET管最高溫度幾乎不變;高度越小,MOSFET管最高溫度越小,但壓力損失增大;水道寬度的減小在令壓力損失變大的同時(shí),MOSFET管最高溫度也會(huì)變小。

        2.2 水道數(shù)量對散熱的影響

        水道數(shù)量對散熱的影響的計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)溫度分布,如圖3所示。不同水道數(shù)量的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

        圖3 水道數(shù)量穩(wěn)態(tài)溫度分布圖

        表2 水道數(shù)量對散熱的影響

        水道數(shù)量增多,MOSFET管最高溫度會(huì)先減小,然后隨水道數(shù)量增多而增大,但壓力損失會(huì)一直減小。但對水道高度3 mm來說,溫度變化不大。

        3 結(jié)論

        MOSFET管溫度對水道截面的高度比較敏感,水道截面的寬度對MOSFET管的溫度影響不大,水道截面積越小,壓力損失越大。水道數(shù)量增多,MOSFET管最高溫度會(huì)先減小,然后隨水道數(shù)量增多而增大,但壓力損失會(huì)一直減小。

        綜合水道截面,水道數(shù)量分析對比,最終選定水道截面12 mm×3 mm,水道數(shù)量3個(gè)的散熱結(jié)構(gòu)。

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