劉 禎，林 鑫，吳華偉，葉從進，耿向陽

(1. 湖北文理學(xué)院 純電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計與測試湖北省重點實驗室，湖北 襄陽 441053; 2.武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081; 3. 湖北文理學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053; 4.東風(fēng)電驅(qū)動系統(tǒng)有限公司，湖北 襄陽 441000)

0 引 言

隨著石油資源的逐漸減少，大力發(fā)展新能源汽車已在世界各國成為一種必然趨勢[1-2]。新能源汽車相對于傳統(tǒng)燃油汽車有著清潔、環(huán)保及穩(wěn)定等諸多好處，為了使新能源汽車能夠在道路上安全平穩(wěn)的行駛，車輛中的電機控制器的穩(wěn)定性和安全性是眾多影響因素中非常重要的一點[3-4]。

電機控制器在其狹窄的內(nèi)部空間中集成有眾多的元器件，而其中的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為電機控制器中的十分重要的一種元器件，在電機控制器的工作過程中將會把產(chǎn)生的大量熱量釋放到IGBT模塊狹小的空間內(nèi)，若不把IGBT模塊所產(chǎn)生的大量熱能及時的傳導(dǎo)出去，就很有可能會燒毀IGBT模塊內(nèi)部的其他元器件，從而在很大程度上，會使IGBT模塊的使用壽命降低[5-6]。這就大大的降低電機控制器的可靠性，從而影響到整車的安全性和穩(wěn)定性[7-8]，故將IGBT模塊產(chǎn)生的熱量有效及時的傳遞出去就顯得非常重要。

目前，風(fēng)冷和液冷是對電機控制器進行散熱處理中最為常見的兩種冷卻方式[9]。但是目前的IGBT模塊正逐步向著大功率方向開始發(fā)展，自然風(fēng)冷的冷卻方式已經(jīng)遠遠達不到IGBT模塊的散熱要求，故在實際工程中，強制風(fēng)冷和液冷被廣泛應(yīng)用于電機控制器的散熱。綜述文獻發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者只在IGBT模塊的散熱模式上做了重點研究。如郭憲民等[10]對冷板的氣體流動散熱進行了詳細研究，結(jié)果表明通過冷板通道內(nèi)的氣體可以將模塊產(chǎn)生的大部分熱量帶走，極大的提高了模塊可靠性；邱海平等[11]通過研究泡沫鋁翅片傳熱，發(fā)現(xiàn)氣體在泡沫鋁內(nèi)部易產(chǎn)生漩渦，從而增強翅片的傳熱；孫微等[12]利用冷卻液直接與模塊的散熱翅片接觸，通過實驗表明通過這種方式，模塊的熱阻得到了極大的降低。上述在散熱器翅片的形狀特征上所做的研究較少，故筆者針對強制風(fēng)冷的冷卻方式，設(shè)計出了兩種不同散熱翅片結(jié)構(gòu)的散熱器。分別對不同散熱器下的IGBT模塊進行理論和仿真計算，并與常規(guī)散熱器的散熱效果做出對比，分別得到了每種散熱器下IGBT模塊的散熱特性，分析了翅片幾何特征對IGBT模塊散熱的影響規(guī)律。

1 幾何模型建立與簡化

通過三維軟件UG建立了文中所需要的IGBT模塊簡化模型，如圖1，該模型主要包括2個風(fēng)扇、1個銅基板、8個主芯片以及1個鋁合金散熱器。其主要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)為：基板長214 mm，寬98 mm，高4 mm；主芯片長8 mm，寬8 mm，高0.32 mm。其中為了簡化模型，在仿真計算時，直接散熱器的側(cè)部的空氣進口邊界設(shè)為速度入口來模擬風(fēng)扇效果。散熱表面積作為影響IGBT模塊散熱一個重要因素，在相同條件下，散熱器的散熱表面積越大，其散熱效果越好，故筆者在常規(guī)形散熱翅片的基礎(chǔ)上，設(shè)計了等腰三角形和等腰梯形散熱翅片。圖2 (a)為常規(guī)形散熱翅片圖，后面兩種散熱翅片的長寬高參數(shù)與常規(guī)形散熱翅片相同。翅片長214 mm，寬2 mm，高30 mm。圖2 (b)為等腰三角形散熱翅片圖，其中翅片上的三角形凹槽底邊為3 mm，高為1 mm。圖2 (c)為等腰梯形散熱翅片，其中翅片上的梯形凹槽上底為1 mm，下底為3 mm，高為1 mm。

圖1 IGBT模塊簡化模型

圖2 3種散熱翅片結(jié)構(gòu)

2 理論計算分析

故文中簡化后的IGBT模塊在工作過程的總熱阻為：

R=Rjc+Rch+Rha

(1)

其中：

(2)

式中：a為IGBT芯片到散熱器的距離；K為其導(dǎo)熱系數(shù)，取390 W/(m·k)；A為IGBT芯片與散熱器之間的橫截面面積。

(3)

式中：h為散熱器的高度；Kl為散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)，為193 W/(m·k)；S為散熱器翅片的長度；d為散熱器翅片的厚度；n為散熱器翅片的數(shù)量。

(4)

式中：b為基板的厚度；Ab為散熱器的有效散熱面積；Ps為IGBT模塊總的發(fā)熱功率；C1為散熱器的安裝狀態(tài)系數(shù)，因為文中的散熱器的安裝方式為垂直安置，故取C1=0.5；C2為在強制風(fēng)冷的情況下，散熱器的相對熱阻系數(shù)，風(fēng)速大小為8 m/s，故取C2=0.3；C3為IGBT模塊外部空氣的換熱系數(shù)，IGBT模塊所處的空氣流場主要是層流，故取C3=0.15。

在進行IGBT結(jié)溫Tj理論計算之前,可以將IGBT模塊的整個散熱系統(tǒng)簡化并等效為計算網(wǎng)絡(luò),如圖3。

圖3 散熱系統(tǒng)等效網(wǎng)絡(luò)

圖3中：Tc為基板的溫度；Th為散熱器的平均溫度；Ta為IGBT模塊整個散熱系統(tǒng)所處的外部環(huán)境溫度(26.85 ℃)。故有：

Tj=Tc+Ps·Rjc+10=Th+Ps·(Rjc+Rch)+10=Ta+Ps·(Rjc+Rch+Rha)+10

(5)

則額定工況下3種散熱翅片的IGBT的熱阻與結(jié)溫分別如表1。

表1 3種散熱翅片的IGBT的熱阻與結(jié)溫

從表1中可以看出設(shè)計的三角形和梯形散熱翅片理論結(jié)溫值均小于常規(guī)形，說明設(shè)計合理，接下來將進一步對其進行仿真實驗驗證。

3 數(shù)值模擬

3.1 參數(shù)設(shè)置

為使計算的結(jié)果更為精確，筆者選用多面體網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分。IGBT模塊的外流場、基板以及散熱器的網(wǎng)格尺寸設(shè)為1 mm，邊界層數(shù)設(shè)為3層。為保證網(wǎng)格質(zhì)量，對主芯片進行局部加密，主芯片的網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.01 mm，邊界層數(shù)設(shè)為5層。因筆者所選用的散熱方式為強制風(fēng)冷，故需要對空氣的基本屬性進行設(shè)置，空氣密度為1.184 15 kg/m3，導(dǎo)熱率為0.026 03 W/(m·k)，比熱為1 003.62 J/(kg·k)。散熱器材料選用鋁合金，其型號為常見的鋁合金60系列中的6063T4鋁合金，基板材料選用為銅，主芯片材料為硅，各部件在常溫條件下的材料屬性詳見表2。單個IGBT功率設(shè)為50 W，IGBT模塊所處的外部環(huán)境溫度為26.85 ℃，空氣進口邊界設(shè)為速度入口，速度為8 m/s，空氣出口邊界設(shè)為壓力出口。

表2 材料屬性

3.2 仿真結(jié)果分析

利用STAR+CCM+軟件自帶的后處理器，分別求得三角形、梯形和常規(guī)形散熱翅片下的IGBT模塊溫度場和速度矢量場的分布情況，其溫度場和速度矢量場的具體分布情況見圖4。

從圖4可以看出，3種散熱結(jié)構(gòu)下的IGBT模塊的溫度都是明顯的沿著x軸負方向逐漸增大，最高溫度出現(xiàn)在出口端的IGBT上。常規(guī)形散熱翅片下的IGBT模塊溫度最高為104.6 ℃，三角形散熱翅片下的IGBT模塊溫度最高為94.9 ℃，梯形散熱翅片下的IGBT模塊溫度最高為94.6 ℃。三角形散熱翅片和梯形散熱翅片較常規(guī)形散熱翅片最高溫度分別降低了9.6、10.0 ℃，從中可以看出三角形散熱翅片和梯形散熱翅片的散熱能力明顯優(yōu)于常規(guī)形散熱翅片。

圖5 3種單個散熱翅片切面的溫度云圖

從圖5 不同散熱翅片切面的仿真結(jié)果中可以看出，3種散熱結(jié)構(gòu)下IGBT模塊的進口端溫度都接近環(huán)境溫度，而其出口端溫度明顯高于進口端。3種散熱翅片切面的最高溫度出現(xiàn)在靠近熱源 IGBT的地方，溫度沿著翅片向下逐漸減小，整個IGBT模塊的溫度梯度有著向后下方傾斜的趨勢。圖5(b)中的三角形散熱翅片最高溫度為89.5 ℃，比常規(guī)形散熱翅片溫度低9.3 ℃，說明三角形散熱翅片的散熱能力更強。圖5(c)中的梯形散熱翅片最高溫度為88.4 ℃，比三角形散熱翅片的溫度略低，說明梯形散熱翅片的散熱性能在三角形散熱翅片的基礎(chǔ)上有所提高。并且從圖中可以看出，梯形散熱翅片的溫度分布較前面兩種散熱翅片更為均勻，說明散熱翅片與空氣的熱交換更充分。

從圖6可以看出，流經(jīng)3種散熱翅片下的IGBT模塊的氣流速度在逐漸減小，出口處的風(fēng)速要遠遠小于進口處的風(fēng)速，而模塊的上端和下端因未受到阻礙，其速度要大于其他部位。從圖6(a)中可以看出，常規(guī)形散熱翅片的速度矢量分布較為稀疏，氣流速度損失嚴重，模塊后端的氣流速度已遠遠小于模塊前端。從圖7中也可以看出，流經(jīng)常規(guī)形散熱齒片的IGBT模塊后端的氣流速度下降到了2.25 m/s。而從圖6(b)和圖6(c)中可以看出，與常規(guī)形散熱翅片相比，設(shè)計的兩種散熱翅片下的IGBT模塊的速度矢量明顯更為密集，氣流流失問題得到很好的解決。從圖7中也可以看出，三角形和梯形散熱翅片的IGBT模塊后端速度分別為3.5 m/s和3.62 m/s，相比于常規(guī)形散熱翅片，速度分別提高了1.25 m/s和1.37 m/s。

圖6 3種散熱翅片下的速度分布

圖7 3種散熱翅片的IGBT模塊后端速度監(jiān)測

從以上結(jié)果可以看出，在相同條件下，三角形和梯形散熱翅片的散熱器的散熱性能優(yōu)于常規(guī)形散熱器。而IGBT模塊的仿真結(jié)果與理論估算結(jié)果基本吻合。常規(guī)形、三角形形及梯形散熱翅片下的IGBT理論結(jié)溫分別為110.5、100.1、99.6 ℃，仿真實驗的IGBT結(jié)溫分別為104.6、94.9、94.6 ℃，其誤差均在5%左右，表明文中所設(shè)計的兩種散熱翅片方案是可行的。接下來將對散熱翅片進行進一步優(yōu)化，使其能達到最佳散熱效果。

3.3 不同條件下的仿真結(jié)果

3.3.1 翅片高度的影響

控制翅片數(shù)量、間距及厚度不變，只改變翅片的高度。分析翅片高度對IGBT模塊溫度的影響。得到的仿真結(jié)果如圖8。

圖8 翅片高度與IGBT模塊結(jié)溫的關(guān)系曲線

從圖8中可以看出，隨著翅片高度的增加，IGBT模塊的結(jié)溫整體呈下降趨勢。翅片高度在34 mm時，模塊結(jié)溫下降開始變得平緩。之后，隨著翅片高度的增加，模塊結(jié)溫變化幅度減小?？紤]到材料成本等因素，翅片高度不宜取得過大。

3.3.2 翅片厚度的影響

翅片厚度作為影響IGBT模塊溫度的重要因素之一，對其進行進一步優(yōu)化處理是很有必要的。取翅片高度為34 mm，控制翅片數(shù)量和間距不變，分析翅片厚度對IGBT模塊溫度的影響。得到的仿真結(jié)果如圖9。

圖9 翅片厚度與IGBT模塊結(jié)溫的關(guān)系曲線

從圖9中可以看出，隨著翅片厚度的增加，IGBT模塊的散熱能力越好。從整體上看，曲線呈下降趨勢，IGBT模塊溫度隨翅片厚度增加而減小。當(dāng)翅片厚度為2.8 mm時，IGBT模塊結(jié)溫開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，曲線開始平緩下降。

3.3.3 翅片間距的影響

取翅片高度34 mm，翅片厚度2.8 mm，控制翅片數(shù)量不變，分析翅片間距對IGBT模塊溫度的影響。得到的仿真結(jié)果如圖10。

圖10 翅片間距與IGBT模塊結(jié)溫的關(guān)系曲線

從圖10中可以看出，隨著翅片間距的增加，常規(guī)形散熱翅片IGBT模塊的結(jié)溫整體呈線性下降趨勢，而三角形和梯形散熱翅片IGBT模塊的結(jié)溫剛開始呈緩慢下降趨勢，之后下降趨勢增大，最后下降趨勢變得平緩。在翅片間距為2.8 mm時，3種散熱翅片IGBT模塊的結(jié)溫均開始平緩降低。

從以上仿真結(jié)果可以看出，在單獨對翅片高度、翅片厚度、翅片間距3種影響因素進行研究分析時，影響散熱效果的主要原因均是散熱器的散熱面積發(fā)生了變化。但3種影響因素對IGBT模塊的結(jié)溫的具體影響有所不同，隨著翅片高度與翅片厚度的逐漸增大，IGBT模塊的結(jié)溫呈逐漸下降到平緩趨勢。而隨著翅片間距的增大，IGBT模塊的結(jié)溫在剛開始階段有所變化，其結(jié)溫為平緩下降趨勢，之后的結(jié)溫變化與前面兩種因數(shù)下的結(jié)果相同。但3種影響下IGBT模塊的結(jié)溫整體均呈線性下降趨勢。

4 結(jié) 論

通過三維繪圖軟件UG對3種IGBT模塊進行了建模，對IGBT結(jié)溫進行了理論計算和仿真實驗驗證，并利用STAR-CCM+軟件對其在不同幾何結(jié)構(gòu)和風(fēng)速下進行了數(shù)值模擬，得到了以下結(jié)論。

1)3種IGBT模塊的結(jié)溫仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果誤差均在5%左右，與常規(guī)形散熱翅片的IGBT模塊相比，三角形和梯形散熱翅片的IGBT模塊散熱性能均得到了提高，梯形散熱翅片的散熱性能要略優(yōu)于三角形散熱翅片。

2)在翅片高度和翅片厚度的增加開始階段，散熱面積對IGBT模塊溫度的影響較大，IGBT模塊結(jié)溫下降明顯。但隨著其繼續(xù)增加，散熱面積的影響開始減弱，IGBT模塊結(jié)溫下降趨勢變得平緩。

3)翅片間距在增加的開始階段，翅片間的氣流流通性增加幅值較小，IGBT模塊的散熱性能只有小幅度提升。當(dāng)翅片間距繼續(xù)增加時，氣流流通性增加，通過翅片間的氣流損失減小，IGBT模塊的散熱性能有很大程度的提升。而翅片間距再持續(xù)增長下去時，氣流就會向四周擴散，IGBT模塊的散熱性能就會開始降低。此結(jié)果對翅片式的散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供了參考依據(jù)。