柴媛+王碩+高世駒

摘 要 在機(jī)車功率模塊設(shè)計(jì)時(shí)，針對高功率IGBT器件的散熱問題，引用了一種利用液冷板散熱的設(shè)計(jì)方法，以機(jī)車緊湊式功率模塊液冷板為例，詳細(xì)闡述了此種方法的設(shè)計(jì)原理、數(shù)值仿真計(jì)算及試驗(yàn)，根據(jù)仿真及試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了液冷板設(shè)計(jì)方法的合理性，對后續(xù)高功率機(jī)車及動(dòng)車組緊湊式功率模塊液冷板設(shè)計(jì)具有借鑒作用。

關(guān)鍵詞 功率模塊；IGBT散熱；液冷板

中圖分類號 U26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號 1674-6708（2016）163-0192-02

在機(jī)車車輛設(shè)計(jì)中，功率模塊的可靠性設(shè)計(jì)對機(jī)車的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，優(yōu)良的散熱方式是功率模塊可靠工作的重要保障，功率模塊上主要的熱損耗器件是IGBT，功率模塊液冷板設(shè)計(jì)主要目標(biāo)是確保IGBT在任何工況下都工作在安全溫度范圍內(nèi)。IGBT的結(jié)溫過高會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件失效，當(dāng)其工作溫度每升高2℃時(shí)，可靠性隨之下降10%[1]。功率模塊上IGBT的布局及單個(gè)IGBT的熱流密度極大地影響了液冷板設(shè)計(jì)的可行性，如何設(shè)計(jì)液冷板的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵，與直線型均勻分布流道相比，S型水道不存在各個(gè)流道流體分布不均勻的情況，在一定程度上改善了散熱效果[2]，但由于其加工工藝簡便，對高熱流密度的IGBT散熱效果欠佳。本文主要論述了用于高功率模塊液冷板的設(shè)計(jì)改進(jìn)方向、仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證過程。

1 液冷板的設(shè)計(jì)步驟

在確定采用水冷散熱器作為IGBT散熱方式時(shí)，第一，綜合考慮功率模塊的結(jié)構(gòu)、功耗、冷卻液的配比、散熱效率等因素，確定散熱器結(jié)構(gòu)；第二，根據(jù)功率模塊發(fā)熱量、熱傳導(dǎo)方程式及液冷板的流體流動(dòng)狀態(tài)，確定散熱器表面溫度，根據(jù)散熱器表面溫度便可以確定IGBT的管殼溫度，使IGBT的芯片溫度控制在要求的范圍內(nèi)，確保功率模塊的可靠運(yùn)行。

2 液冷板的設(shè)計(jì)

2.1 功率模塊幾何模型

機(jī)車緊湊式功率模塊IGBT布局示意圖如圖1所示，在液冷板A面布置等熱流密度的IGBT共6塊，每支IGBT的散熱量為2.4kW，在液冷板B面布置等熱流密度的IGBT共6塊，每支IGBT的散熱量為1.2kW。IGBT結(jié)溫為150℃，冷卻液為40%的乙二醇和60%水的混合物，最高入水口水溫為62℃，流量為40L/min。根據(jù)散熱模型及留取的安全工作裕量，液冷板板面溫度不高于87℃時(shí)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 液冷板單元一維傳熱數(shù)學(xué)模型

液冷板單元指的是單個(gè)IGBT的安裝面積所對應(yīng)的液冷板實(shí)體，單個(gè)IGBT安裝面積為A，液冷板設(shè)計(jì)的目的是滿足所有的IGBT安裝面的溫度Ts低于要求溫度，所以建立液冷板單元傳熱數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行整體設(shè)計(jì)非常重要。

以功率模塊IGBT的安裝液冷板為研究對象，建立一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程（1）：

上述公式中Ts為IGBT與液冷板接觸面的表面溫度，單位K或℃；？Af為冷卻介質(zhì)與液冷板內(nèi)部接觸面積，單位m2；T∞為冷卻液來流溫度，單位K或℃；η為液冷板內(nèi)部擴(kuò)展表面的總效率，h為冷卻介質(zhì)與接觸壁面的對流換熱系數(shù)，單位W/m2·K；A為單個(gè)IGBT的安裝面積，單位m2；Q為單個(gè)IGBT熱耗散功率，單位W；d為安裝基板厚度，單位m；k為材料導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/ m·K。

聯(lián)立公式（1）、（2）、（3）、（4）求解得：

公式（5）說明當(dāng)IGBT熱耗散功率一定，增大安裝面積、內(nèi)部對流換熱面積及傳熱系數(shù)、減薄基板厚度、減小來流溫度、提高材料導(dǎo)熱系數(shù)都是降低板面溫度Ts的措施。其中安裝面積由IGBT結(jié)構(gòu)決定，考慮到工藝可行性及成本問題，大幅提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)非常困難，因此改變內(nèi)部對流換熱面積、傳熱系數(shù)以及來流溫度成為控制安裝面溫度Ts的關(guān)鍵因素。機(jī)車緊湊式功率模塊液冷板的設(shè)計(jì)，采用增大對流換熱面積及傳熱系數(shù)的方式，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用特殊結(jié)構(gòu)的高密度翅片。

3 仿真分析

該液冷板采用混合網(wǎng)格的仿真分析方式，其中四面體網(wǎng)格數(shù)設(shè)定為3683089，六面體網(wǎng)格數(shù)設(shè)定為642424，整個(gè)仿真模型的總節(jié)點(diǎn)總數(shù)為2054148。根據(jù)液冷板的數(shù)值仿真計(jì)算的邊界條件，仿真計(jì)算使用控制容積法離散化方程，壓力速度耦合使用SIMPLEC算法，對流項(xiàng)采用Second？Order？Upwind？格式，仿真分析工況中雷諾數(shù)≥3200，湍流模型選擇k-ε模型標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，冷卻液為濃渡40%的乙二醇溶液335.15K時(shí)的物性參數(shù)。

通過仿真分析的控制方程[4-6]，搭建液冷板散熱仿真模型進(jìn)行仿真分析，所得結(jié)果如圖2所示。

不同IGBT安裝位置表面最高溫度相差最大值約20K，位于A面液冷板出水口位置的IGBT安裝面溫度最高，約為94.5℃，位于B面液冷板進(jìn)水水口位置的IGBT安裝面溫度最低，約為70℃。

4 試驗(yàn)結(jié)果

用模擬方法進(jìn)行的熱性能試驗(yàn)方法及結(jié)果如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果可知位于液冷板A面出口處IGBT安裝面最高溫度為82.8℃，位于液冷板B面進(jìn)口處IGBT安裝面最低溫度為70℃，單個(gè)IGBT安裝面溫度比較均勻。在機(jī)車功率模塊實(shí)際配機(jī)熱性能試驗(yàn)中，IGBT最高溫度為84.4℃，位置位于液冷板A面出口IGBT4處。

5 結(jié)論

液冷板數(shù)值仿真、模擬試驗(yàn)及配機(jī)試驗(yàn)結(jié)果有一定差距，其中模擬試驗(yàn)與配機(jī)試驗(yàn)結(jié)果最接近。其主要原因?yàn)槟M試驗(yàn)過程中很難測量到最高溫度與最低溫度點(diǎn)，同時(shí)由于數(shù)值仿真過程中對模型進(jìn)行了一定的簡化，未考慮液冷板與周圍環(huán)境的輻射換熱及自然對流換熱，簡化后的物理模型對液冷板的計(jì)算結(jié)果有很大影響，會(huì)比實(shí)際溫度偏高，最高溫度與配機(jī)試驗(yàn)結(jié)果偏差12%，最低溫度與模擬試驗(yàn)結(jié)果偏差約1%，整體仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)較吻合。

通過數(shù)值仿真分析、模擬試驗(yàn)及配機(jī)試驗(yàn)對高功率機(jī)車緊湊式功率模塊液冷板傳熱特性的研究，得出以下結(jié)論：

1）通過仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，說明了仿真分析結(jié)果可信，驗(yàn)證了新的高效散熱液冷板結(jié)構(gòu)的可行性。

2）通過對液冷板為傳熱模型進(jìn)行分析，確立工程中復(fù)雜緊湊式功率模塊液冷板的改進(jìn)方向。

參考文件

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