冉婭東 鄭慶祥 金積德?

(1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070)

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管)具有體積小、功率高，熱流密度大等特點(diǎn)[1]。而溫度是影響其壽命的重要因素[2]，高溫易導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)老化、失效等故障[3－5]。因此，對模塊進(jìn)行高效散熱十分重要。

目前，IGBT 模塊的常規(guī)散熱方式主要是強(qiáng)迫風(fēng)冷、液冷散熱等。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、安全，但主要適用于小功率IGBT 模塊，且散熱能力提升有限。液冷散熱系統(tǒng)雖散熱高效，但需配備完整的液冷管路等裝置，增加了散熱系統(tǒng)的重量、體積、成本及可靠度等疑慮[6－8]。近年來，熱管作為一種在電子芯片散熱領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的高效導(dǎo)熱器件，其具有傳熱快、導(dǎo)熱量大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[9]，若將之與強(qiáng)制風(fēng)冷機(jī)制結(jié)合并合理運(yùn)用于IGBT 模塊，則能夠在有效解決模塊散熱問題的同時(shí)兼?zhèn)浣?jīng)濟(jì)高效、重量輕、安全可靠等特點(diǎn)，因此如何提高熱管散熱器的散熱性能至關(guān)重要。目前，IGBT 模塊用熱管散熱器其散熱性能的提升主要集中在熱管外形的改造及翅片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[10－11]提出的熱管散熱器結(jié)構(gòu)是采用常規(guī)做法將經(jīng)折彎、打扁的熱管嵌入一體成型的散熱器基座中，以通過增加基板的傳熱量及均溫性來提高散熱器的散熱性能。文獻(xiàn)[12－13]通過對翅片進(jìn)行開孔、添加針翅等方式，以增加單個(gè)翅片的散熱面積來提高傳熱量。文獻(xiàn)[14－16] 通過對熱管的蒸發(fā)腔室進(jìn)行改進(jìn)來提升散熱器整體的傳熱性能。文獻(xiàn)[17]則是通過在IGBT 模塊與散熱器基座之間添加平板微熱管的方式對散熱模組進(jìn)行了改進(jìn)。

上述散熱器的設(shè)計(jì)，雖然能夠在一定程度上提升其散熱性能，但亦受成本、加工難度、散熱體積等因素綜合制約。對于熱管嵌入散熱器基板的結(jié)構(gòu)形式，翅片導(dǎo)熱熱阻的存在使溫度在其高度方向上分布差異較大，導(dǎo)致翅片均溫性不佳，而具有良好均溫性的翅片可提高模組的散熱效率，同時(shí)克服徒增翅片散熱面積所帶來的大體積重量等問題。此外，對熱管進(jìn)行折彎、打扁等外形處理方式也會(huì)在一定程度上降低其傳熱性能。因此，如何在設(shè)計(jì)上盡可能保有熱管的最大效應(yīng)，以及該以何種布置方式讓翅片均溫性最優(yōu)化，以達(dá)到最佳散熱效率成了關(guān)鍵的課題。鑒于目前文獻(xiàn)中以通過提升翅片均溫性的方式來提高散熱器的散熱性能未做深入研究，本文結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例，以某磁浮列車牽引變流器中的IGBT 模塊為研究對象，設(shè)計(jì)了一款翅片具有良好均溫性的熱管分層嵌入式散熱器，并對其進(jìn)行了數(shù)值模擬，進(jìn)而驗(yàn)證了該散熱器的散熱可行性。

1 新型散熱模組設(shè)計(jì)

本研究所探討的磁浮列車牽引變流器其功率器件采用英飛凌(Infineon)公司生產(chǎn)的IGBT 模塊(型號為FZ1500R33HE3)，熱損耗為1 650 W。列車的每組電機(jī)(三相，負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行)需配備3 個(gè)模組，共計(jì)12 顆IGBT 模塊，每個(gè)模組包含4 顆此模塊，且需在有限的空間內(nèi)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。因此，單個(gè)模組的散熱設(shè)計(jì)需要在420 mm×370 mm×120 mm 的空間內(nèi)對6 600 W 的熱量進(jìn)行有效散熱。

圖1 為針對單個(gè)模組所設(shè)計(jì)的一種新型的熱管分層嵌入式散熱器結(jié)構(gòu)(以下簡稱新型模組)，單個(gè)翅片尺寸為370 mm×106 mm×0.5 mm，相鄰翅片中心間距2.4 mm，用于對4 個(gè)IGBT 模塊進(jìn)行有效散熱。IGBT 模塊與散熱器之間以銅底板連接，銅板尺寸為420 mm×370 mm×12 mm，兩側(cè)未經(jīng)打扁的U型結(jié)構(gòu)熱管分別穿插在銅底板下緣及翅片間，可使芯片傳至銅底板的熱量經(jīng)由熱管的分層(雙層)布置結(jié)構(gòu)均勻分布至翅片散熱器，讓散熱器均溫性最優(yōu)化，可進(jìn)一步提高模組的整體散熱效率。

圖1 新型模組結(jié)構(gòu)

為驗(yàn)證新型模組的散熱性能，基于目前常規(guī)熱管與散熱器常見的結(jié)合方式，建立了如圖2 所示的傳統(tǒng)熱管散熱器結(jié)構(gòu)(以下簡稱傳統(tǒng)模組)，以進(jìn)行對比分析。其中，翅片與散熱器基板采用一體成型結(jié)構(gòu)，熱管被適度打扁并被嵌入進(jìn)散熱器基板。

圖2 傳統(tǒng)模組結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬

2.1 CFD 數(shù)學(xué)模型

熱量傳遞方式包含熱傳導(dǎo)、熱對流與熱輻射三種。由于采用強(qiáng)制風(fēng)冷，且模組通過熱輻射傳遞的熱量較少，故忽略重力及輻射換熱，且將空氣視為理想氣體。基于以上假設(shè)，根據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律建立的流體CFD 數(shù)學(xué)模型如下:

(1)質(zhì)量守恒方程

式中:ρ為流體的密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；ux、uy和uz為流體在x、y、z三個(gè)方向上的速度分量。

(2)動(dòng)量守恒方程

式中:p為流體壓強(qiáng)，Pa；X、Y、Z分別為單位質(zhì)量流體的體積力在x、y、z方向上的分量；ν為流體的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；ν?2ux、ν?2uy、ν?2uz分別為流體在x、y、z方向受到的粘滯力。

美國體育課程目標(biāo)設(shè)置，盡管各學(xué)段表述方式上有所不同，但都是要通過體育促進(jìn)學(xué)生在身體、認(rèn)知、社會(huì)以及情感四個(gè)方面的發(fā)展，致力于培養(yǎng)“具有身體素養(yǎng)的人[6]”。美國2014年新修訂的《K-12體育教育國家標(biāo)準(zhǔn)和年級結(jié)果》(SHAPE America Society of Health and Physical Educators, 2014)明確了為終生健康體育活動(dòng)做準(zhǔn)備，學(xué)生應(yīng)知和應(yīng)會(huì)的身體素養(yǎng)[7]。

(3)能量守恒方程

式中:dU/dt為流體微元內(nèi)能增長速率，J/s；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T為溫度；q為單位體積流體生成的熱速率，J/(m3·s)；?為單位體積流體產(chǎn)生的摩擦熱，J/(m3·s)。

2.2 幾何模型的簡化

通過Creo 軟件建立原始的三維模型，并導(dǎo)入FloMCAD 進(jìn)行模型的簡化。由于倒角、小孔等微小特征對仿真結(jié)果影響不大，但會(huì)大大增加仿真計(jì)算量，因此可直接去除。

典型的IGBT 模塊其內(nèi)部芯片涉及多層封裝，且各層的材料尺寸及屬性不一致，建立完整的模型較為復(fù)雜。因此結(jié)合說明手冊的芯片熱阻信息，建立如圖3 所示的IGBT 模塊簡化模型，在各芯片與基板之間直接賦予熱阻值。

圖3 IGBT 模塊簡化模型

2.3 網(wǎng)格劃分及檢查

網(wǎng)格的好壞直接影響數(shù)值計(jì)算結(jié)果，在保證計(jì)算精度的情況下數(shù)量需合理，避免數(shù)量過大而增加計(jì)算成本，同時(shí)又不可忽略小尺寸部件網(wǎng)格的劃分。由于模型為復(fù)雜的裝配體，翅片及芯片的厚度較小，需對其施加局域網(wǎng)格，保障翅片及芯片的厚度方向至少有兩層網(wǎng)格。風(fēng)扇、翅片的流體進(jìn)出口處需設(shè)置膨脹網(wǎng)格并適當(dāng)增加網(wǎng)格密度，用于詳細(xì)描述該位置變化較快的參數(shù)，同時(shí)減少殘差積累。Flotherm軟件中均采用正交網(wǎng)格，評判網(wǎng)格質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)主要是網(wǎng)格的最大長寬比，且小于20 較為理想。模型網(wǎng)格劃分的數(shù)量為1 020 萬個(gè)，且最大長寬比為14.6，滿足小于20 的要求。

2.4 邊界條件設(shè)置

散熱模組在限制的空間內(nèi)運(yùn)行時(shí)，其散失的熱量同時(shí)會(huì)使其運(yùn)行的環(huán)境溫度上升，保守情況下，設(shè)定環(huán)境溫度為45 ℃。對于IGBT 模塊，忽略其內(nèi)部小元器件發(fā)熱，假設(shè)熱量全部集中在IGBT 芯片與續(xù)流二極管FWD 上，為保障模塊安全運(yùn)行，按產(chǎn)品說明書內(nèi)容，此模塊的操作條件必須將芯片結(jié)溫控制在125 ℃之下，同時(shí)保持一定的溫升余量，此外，模塊底板的底面溫度不超過90 ℃為佳[18]。熱管內(nèi)部由于涉及復(fù)雜的相變傳熱，難以數(shù)值模擬其相變過程，將其近似為一根具有高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬材質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)取K＝15 000 W/(m·K)[19]。散熱器、銅板、IGBT 模塊底板及界面材料等采用表1 中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

表1 材料參數(shù)

為對翅片的均溫性進(jìn)行研究，進(jìn)行了翅片溫度測點(diǎn)位置的布置，如圖4 所示。

圖4 翅片溫度測點(diǎn)分布圖

3 仿真結(jié)果對比分析

新型模組與傳統(tǒng)模組所設(shè)置的邊界條件均相同，并通過研究IGBT 熱源、翅片的溫度場，模組的壓力場及散熱器的最大熱阻來分析其散熱性能。

3.1 翅片表面溫度場分析

由于散熱器翅片數(shù)量較多，無法對每個(gè)翅片單獨(dú)進(jìn)行分析，因此選取了風(fēng)速為10 m/s 時(shí)，兩種散熱模組中相同位置的單個(gè)翅片進(jìn)行分析，其溫度分布云圖如圖5 所示。

圖5 翅片溫度分布云圖

圖5 中(a)、(b)分別為新型模組、傳統(tǒng)模組的翅片溫度分布云圖，翅片左側(cè)為進(jìn)風(fēng)口，上部為熱源端。翅片溫度分布均表現(xiàn)出右上方區(qū)域較高，左下方區(qū)域較低的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷時(shí)，空氣在翅片間的流道中會(huì)隨著距離拉長逐漸被加熱，導(dǎo)致下游的空氣其冷卻效果降低。此外，由于翅片高度較大，增加了導(dǎo)熱熱阻，使得熱量在翅片高度方向上傳遞阻力較大，溫度分布不均勻，熱量趨于集中在翅片上部，出現(xiàn)熱累積現(xiàn)象。對比兩種結(jié)構(gòu)，(a)中翅片整體溫度分布較(b)均勻，且溫度最大值降低了16.4 ℃，說明新型模組能夠在一定程度上減小傳統(tǒng)模組存在的翅片熱累積現(xiàn)象。

圖6 為兩種模組的翅片其測點(diǎn)溫度分布圖，從測點(diǎn)位置分布可以看出，傳統(tǒng)模組的翅片其溫差變化最大的位置主要在上行與中行之間，而新型模組的翅片則是減小了這種變化程度，且在各行之間各測點(diǎn)的溫差更小，分布位置相對傳統(tǒng)模組更集中，說明新型模組翅片具有更好的均溫性能。

圖6 翅片測點(diǎn)溫度分布圖

上述是從直觀角度觀察翅片溫度的分布，引入溫度均勻性系數(shù)[20]進(jìn)行定量分析，定義如下:

式中:λ為溫度均勻性系數(shù)，其值越小，表示溫度分布越均勻?！為測點(diǎn)溫度的平均值，℃；δ為測點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式如下:

圖7 為兩種模組結(jié)構(gòu)的翅片在不同的風(fēng)速下，其翅片溫度均勻性系數(shù)隨風(fēng)速的變化趨勢。由數(shù)據(jù)分析可知，翅片的溫度均勻性系數(shù)均隨著風(fēng)速的增加而不斷降低，表明風(fēng)速越大時(shí)，翅片的均溫性越好，這是由于風(fēng)速加大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過流道的風(fēng)量增加，攜帶走的熱量也會(huì)更多，同時(shí)由于空氣通過流道的時(shí)間變短，空氣被加熱的程度較低，因而對翅片下游的冷卻效果較低風(fēng)速時(shí)更好，翅片的均溫性能得到相應(yīng)的提高。同時(shí)可以看出，兩種模組的翅片在各風(fēng)速下，新型模組的翅片都展現(xiàn)出了更好的均溫性能。

圖7 翅片溫度均勻性系數(shù)隨風(fēng)速的變化

3.2 IGBT 熱源表面溫度場分析

由于散熱模組為對稱結(jié)構(gòu)，因此對兩種模組其右半邊的IGBT1 與IGBT2 進(jìn)行分析。圖8 為風(fēng)速為10 m/s 時(shí)所對應(yīng)的IGBT 熱源溫度分布云圖。分析可知，兩種模組結(jié)構(gòu)中，IGBT2 的溫度整體明顯高于IGBT1，且芯片溫度最大值也分布在IGBT2 中，其原因與翅片溫度分布情況相同，且符合一般傳熱規(guī)律。在新型模組結(jié)構(gòu)下，熱源最高溫度為89.1 ℃，比傳統(tǒng)模組的熱源溫度最大值106 ℃降低了16.9 ℃。

圖8 IGBT 熱源溫度分布云圖

圖9 為兩種模組結(jié)構(gòu)的IGBT 芯片溫度最大值、IGBT 模塊底板的底面溫度最大值隨風(fēng)速的變化趨勢，由圖中可以看出，兩者均隨著風(fēng)速的增加而降低，且新型模組的芯片溫度最大值均低于傳統(tǒng)模組。結(jié)合圖7 進(jìn)行分析，在各風(fēng)速下，翅片均溫性更好的新型模組展現(xiàn)出了更好的散熱性能。此外，對于IGBT 模塊底板的底面溫度而言，新型模組在設(shè)置的風(fēng)速下均低于傳統(tǒng)模組，且小于90 ℃，說明新型模組的設(shè)計(jì)符合散熱要求。

圖9 各溫度最大值隨風(fēng)速的變化

3.3 散熱器最大熱阻分析

散熱器的最大熱阻可以作為評價(jià)散熱器散熱性能的指標(biāo)，其值越低表明散熱器的散熱性能越好，計(jì)算公式如下[14]:

式中:Rmax為散熱器的最大熱阻，℃/W；Ts－max、Ta分別為散熱器表面的最大溫度及環(huán)境溫度，℃；P為熱源的熱損耗，W。

圖10 為兩種模組結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)速下其散熱器的最大熱阻隨風(fēng)速變化的趨勢。從圖中可看出，新型模組散熱器的最大熱阻值在不同的風(fēng)速下均低于傳統(tǒng)模組，且平均降低34%，說明新型模組散熱器的傳熱阻力更低，散熱性能更佳。

圖10 最大熱阻隨風(fēng)速的變化

3.4 模組進(jìn)出端壓力分析

圖11 為兩種模組在不同風(fēng)速下，其進(jìn)出風(fēng)口壓降的變化曲線圖?？梢钥闯?，兩種模組其進(jìn)出風(fēng)口壓降均隨著風(fēng)速的增加而不斷上升，且新型模組結(jié)構(gòu)的壓降明顯大于傳統(tǒng)模組結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)模組的翅片流道內(nèi)由于沒有熱管橫穿，對空氣的流動(dòng)沒有阻礙作用，而新型模組結(jié)構(gòu)則在翅片流道內(nèi)橫穿了兩層熱管，對空氣流動(dòng)的阻力加大，進(jìn)而壓降更為明顯。因此，新型模組散熱性能的提升是以增大系統(tǒng)壓降為代價(jià)，在保證芯片及模塊底面溫度符合要求的情況下，適當(dāng)?shù)慕档惋L(fēng)速或者提高風(fēng)壓都能夠在一定程度上減小這種不利影響。

圖11 壓降隨風(fēng)速的變化

4 結(jié)論

本文結(jié)合熱管設(shè)計(jì)了一種新型的熱管分層嵌入式散熱器，能有效改善傳統(tǒng)模組存在的翅片均溫性不佳等問題，并基于Flotherm 軟件分析了新型模組的翅片及熱源的溫度場、模組的壓力場及散熱器的最大熱阻值在不同風(fēng)速下的變化情況。在與傳統(tǒng)模組進(jìn)行對比和驗(yàn)證后，可得到以下結(jié)論:

(1)新型模組同時(shí)滿足使芯片的最高溫小于125 ℃，模塊底板底面的最高溫小于90 ℃的要求，且兩者的最高溫均隨著風(fēng)速的增加而降低，說明所設(shè)計(jì)的新型模組滿足使用要求。

(2)新型模組的翅片溫度均勻性系數(shù)及相對應(yīng)的芯片溫度最大值在不同風(fēng)速下均低于傳統(tǒng)模組，且散熱器的最大熱阻平均降低34%，說明新型模組的翅片均溫性更好，其模組的散熱性能較傳統(tǒng)模組更突出。

(3)新型模組進(jìn)出風(fēng)口的壓降隨風(fēng)速的增大而增加，且由于翅片流道內(nèi)熱管的橫穿，其壓力降低的程度大于傳統(tǒng)模組。

(4)設(shè)計(jì)的新型模組對牽引變流器功率器件的散熱具有一定的普適性，同時(shí)可為今后熱管散熱器的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供指導(dǎo)。此外，新型模組其翅片流道的風(fēng)阻較大，可在后期工作中做進(jìn)一步優(yōu)化。