大功率半導(dǎo)體組件的散熱系統(tǒng)設(shè)計

周靖　侯錚　周方圓　文韜

摘要：文章介紹了一種在工程中比較實用的大功率半導(dǎo)體組件的系統(tǒng)設(shè)計計算方法，利用散熱系統(tǒng)熱阻等效電路求出散熱器熱阻，進(jìn)而設(shè)計出符合高電壓、大電流的水風(fēng)冷卻、水電隔離的散熱冷卻系統(tǒng)，最后通過ANSYS對該散熱系統(tǒng)進(jìn)行了散熱仿真及試驗驗證，為處于封閉空間的高電壓、大電流變流器提供可借鑒的散熱系統(tǒng)解決方案。

關(guān)鍵詞：風(fēng)水冷換熱方式；水電隔離；散熱系統(tǒng)；大功率半導(dǎo)體組件；散熱冷卻系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U665 文章編號：1009-2374（2017）11-0035-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.018

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用的范圍越來越廣泛，電力電子裝置（如艦載電源、電力機(jī)車等）的功率密度越來越大、變流器的容量和損耗也隨之增大，對半導(dǎo)體組件的可靠性要求也越來越高。采取一定的散熱措施，半導(dǎo)體的管芯問題在允許的范圍內(nèi)，器件不易損壞，因此散熱系統(tǒng)設(shè)計的合理性將直接影響大功率電力電子裝置工作的穩(wěn)定性，特別是對于某些高功率密度、應(yīng)用環(huán)境受限等特殊應(yīng)用場合，充分考慮半導(dǎo)體組件的熱損耗，設(shè)計有效的散熱系統(tǒng)，把熱源的熱量能順利及時的排放出去，使電力電子器件的結(jié)溫控制在允許范圍內(nèi)顯得更為重要。本文將以高功率密度、封閉應(yīng)用環(huán)境的半導(dǎo)體組件散熱系統(tǒng)設(shè)計為例進(jìn)行說明。

1 散熱系統(tǒng)的具體設(shè)計

該半導(dǎo)體組件通常在高壓艦載電源系統(tǒng)中使用，要求半導(dǎo)體組件產(chǎn)生的熱量不影響電源系統(tǒng)的環(huán)境溫升，當(dāng)環(huán)境初始溫度為55℃時，溫升要求控制在25～32K。本半導(dǎo)體組件需要安裝在長、寬、高分別為520mm、255mm、245mm的機(jī)箱中，最大損耗為763W，其熱流密度為0.93W/cm2。

目前，電子設(shè)備的散熱方式主要有：水冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷和自然對流等散熱；其中的自然對流散熱方式主要適用于熱密度<0.05W/cm2的情況，由于強(qiáng)迫對流散熱能夠使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)約提升一個數(shù)量級，因此當(dāng)熱流密度>1W/cm2的情況下，一般風(fēng)冷散熱方式作用甚微。

因為該半導(dǎo)體組件通常應(yīng)用于高壓艦載電源系統(tǒng)，其自身損耗所產(chǎn)生的熱量不會對電源系統(tǒng)的環(huán)境溫度造成影響，所以按照該半導(dǎo)體組件的熱流密度和溫升標(biāo)準(zhǔn)，決定對該散熱系統(tǒng)采用散熱器與強(qiáng)風(fēng)冷相結(jié)合的散熱方式，即將半導(dǎo)體組件安裝于一個四周封閉的機(jī)箱中，在機(jī)箱的一端安裝抽風(fēng)機(jī)，另一端開適當(dāng)數(shù)量的孔，在組件與抽風(fēng)機(jī)之間安裝水風(fēng)換熱器。由于組件與水風(fēng)換熱器間留有一定的空氣間隙，從而形成了絕緣距離，不但有效實現(xiàn)了水電分離，而且避免了大電流對冷卻介質(zhì)造成電解。采用水電隔離設(shè)置，不但能夠確保即使在漏水的情況下也不會發(fā)生漏電或者放電現(xiàn)象，而且會對水質(zhì)的要求顯著降低（普通的自來水和海水均能夠作為冷卻水進(jìn)行使用），所以其具有維護(hù)簡便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

該散熱系統(tǒng)的熱流路徑為：半導(dǎo)體上產(chǎn)生的熱量傳到散熱器并由散熱器傳到空氣中，被加熱的空氣流經(jīng)水風(fēng)換熱器，并通過軸流風(fēng)機(jī)抽出（軸流風(fēng)機(jī)所抽出的空氣實際已通過了水風(fēng)換熱器的冷卻），由此可見，半導(dǎo)體組件所產(chǎn)生的熱量基本不會影響電源系統(tǒng)周圍的環(huán)境溫度。

強(qiáng)迫風(fēng)冷分為鼓風(fēng)、抽風(fēng)兩種冷卻形式，鼓風(fēng)冷卻的風(fēng)壓大，風(fēng)量集中，通常用在單元內(nèi)熱量分布不勻稱，風(fēng)阻較大情況，而抽風(fēng)冷卻多用于熱量相對分散的整機(jī)機(jī)箱條件下，熱量是通過風(fēng)道抽送走的，其最大的特點(diǎn)就是風(fēng)量大而風(fēng)壓小。因為半導(dǎo)體上面的熱量基本上分散在鋁型材散熱器的各部件上，當(dāng)抽風(fēng)冷卻時，通過散熱器各部件的風(fēng)量較為適中，從而使散熱器能夠得到充分冷卻，所以選擇使用水電隔離的水風(fēng)冷卻方式。

1.1 散熱器的設(shè)計和計算

半導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量一般是按照以下途徑傳遞的：內(nèi)部散熱→組件外殼→散熱器上→空氣中。以強(qiáng)制風(fēng)冷為主，傳熱遵守?zé)崧窔W母定律：

式中：

ΔT——熱路始末溫度差，℃

P——損耗，W

Rth——傳熱過程熱阻，℃/W

半導(dǎo)體組件在傳熱的過程中，其熱阻是由以下部分組成的：一是半導(dǎo)體中的PN結(jié)與外殼間的傳遞熱阻，簡稱Rjc；二是半導(dǎo)體外殼與散熱器間的接觸熱阻，簡稱Rcs；三是散熱器向空氣中傳遞形成的熱阻，簡稱Rsa。

其總熱阻為：

式中：

Ptot——半導(dǎo)體總損耗

Ta——環(huán)境溫度

Tj——半導(dǎo)體允許結(jié)溫

則散熱器熱阻為：

式中：

Tj——半導(dǎo)體PN結(jié)允許溫度，取125℃溫度

Ta——散熱器表面溫度，單位℃

Rjc——PN結(jié)到半導(dǎo)體外殼接殼熱阻，單位為℃/W

Rcs——半導(dǎo)體外殼到散熱器接觸熱阻，單位為℃/W

Rsa——散熱器傳遞到空氣中的換熱熱阻，單位為℃/W

半導(dǎo)體的最高允許結(jié)溫通常與硅半導(dǎo)體的摻雜濃度和工藝水平等關(guān)系密切，普通功率的半導(dǎo)體結(jié)溫≤200℃，由于半導(dǎo)體芯片的面積大、溫度分布不均，因此當(dāng)器件遇到過載、浪涌和結(jié)構(gòu)問題時，芯片就會出現(xiàn)過熱，甚至導(dǎo)致局部穿孔問題的發(fā)生，所以考慮上述因素，半導(dǎo)體器件的最高工作結(jié)溫一般應(yīng)控制在125℃～135℃。

在進(jìn)行散熱器設(shè)計的過程中，需要對半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、散熱功率和加工工藝等因素進(jìn)行綜合分析，主要需要注意以下事項：一是增加肋片的高度實際等于增大了散熱器的散熱面積，從而提高了散熱能力，然而當(dāng)肋片高度增加到一定程度時，散熱量將不會繼續(xù)增加，相反，若肋片高度繼續(xù)增加，則散熱量不增反減；二是散熱器的肋片越薄說明散熱性能越好，然而若太薄又會對加工工藝提出更高的難度；三是挑選導(dǎo)熱系數(shù)較高的型材，能夠顯著降低散熱器的熱阻。因鋁的導(dǎo)熱系數(shù)高且重量輕，使其成為最常用的散熱材料；四是對散熱器表面經(jīng)過氧化和噴砂處理，能夠在很大程度上改善熱輻射的性能。特別是當(dāng)散熱器表面溫度與環(huán)境溫度差距達(dá)到50℃的情況下，經(jīng)過氧化的散熱器熱阻能夠有效降低15%左右。此外，因該半導(dǎo)體組件是通過雙面進(jìn)行散熱，所以只有散熱器和半導(dǎo)體間達(dá)到一定程度的壓裝力，才能夠使散熱器和半導(dǎo)體接觸位置的熱阻減小。另外，散熱器和半導(dǎo)體接觸面的光滑度也會減少接觸熱阻。通過對以上因素的權(quán)衡，該散熱器選擇了鋁材作為原材料，散熱器的肋片被設(shè)計成高低不同的樣式，且為了滿足散熱器壓裝強(qiáng)度需要，散熱器被設(shè)計成了很厚的基板。

1.2 板翅水風(fēng)換熱器設(shè)計

半導(dǎo)體組件工作時經(jīng)散熱器加熱的熱空氣采用水風(fēng)換熱器冷卻，冷卻后的空氣不會對電源系統(tǒng)的環(huán)境溫度產(chǎn)生影響，其優(yōu)點(diǎn)是：水電的有效隔離不但對冷卻水的水質(zhì)要求顯著降低，而且不會因半導(dǎo)體通電而導(dǎo)致電腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。此水風(fēng)換換熱器由兩塊平板中夾著一塊波紋形狀的導(dǎo)熱翅片，流體就從波紋形狀的導(dǎo)熱翅片中流過，兩層這樣的基本換熱單元焊接在一起，并使兩流道相互交錯，供冷熱流體換熱，此水風(fēng)換熱器是由許多層這樣的換熱單元疊合而成，作為水風(fēng)換熱器，傳熱系數(shù)可達(dá)到達(dá)350W/（m2·K）。

換熱器的傳熱計算有兩種方法：平均溫差法（LMDT法）和效能-傳熱單元數(shù)法（ε-NTU法）。本文是利用平均溫差法進(jìn)行計算。平均溫差法主要依據(jù)的是傳熱公式Φ=kAΔtm，在設(shè)計換熱器的過程中，需要按照要求首先確定換熱器的形式，然后利用給定的換熱量以及冷熱流體中的進(jìn)出口三個溫度，根據(jù)熱平衡定律，計算出冷流體或者熱流體的出口溫度，同時計算出平均的溫度差，接著利用傳熱公式計算出換熱面積，即F=1.01m2，在實際的應(yīng)用中，采用了平直形狀的板翅水冷散熱器肋片，其參數(shù)為：高度為9.5mm，厚度為0.2mm，間距為2mm，單位寬通截面S2=8.37m2，單位傳熱面積S1=11.1m2，若量直徑為3.016mm時，則肋面積和傳熱面積的比將會是：Af/A=0.838，換熱器的肋片總共設(shè)計有18行，每行18片，每片的長度為174mm，深度為60mm，由此可計算出其總換熱面積應(yīng)是A=BLS1=2.859m2，其明顯高于理論傳熱公式計算出的面積1.01m2，散熱滿足系統(tǒng)要求。

1.3 抽風(fēng)機(jī)的選擇

此散熱系統(tǒng)中抽風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量由下式計算：

式中：

qf——通風(fēng)量，單位為m3/s

——空氣的密度，單位為kg/m3

Cp——空氣的比熱，單位為J/kg·℃

Φ——總損耗功率，單位為W

Δt——冷卻空氣的進(jìn)出口溫差，單位為℃，Δt大部分取10℃左右

取Δt=5℃，計算得抽風(fēng)機(jī)的風(fēng)量約450m3/s，由于該半導(dǎo)體組件周圍的風(fēng)道材料具有絕熱和絕緣的性能，因此在風(fēng)量的計算過程中可忽略半導(dǎo)體組件對大氣的輻射和對流的影響。

2 散熱系統(tǒng)的仿真分析

該例借助相關(guān)技術(shù)對散熱系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，以下屬于仿真的結(jié)果：

第一，將環(huán)境最高溫度設(shè)置為55℃，然后向外進(jìn)行抽風(fēng)，這時半導(dǎo)體器件的功率為763W，半導(dǎo)體兩端增加兩個接觸熱阻0.0025℃/W。這時在半導(dǎo)體中心位置出現(xiàn)的最高溫度為84.75℃，因為在仿真環(huán)境下會忽略水冷換熱器對散熱系統(tǒng)產(chǎn)生的影響作用，特別是利用Icepak分析軟件時，兩種流態(tài)數(shù)據(jù)信息的計算量非常大。而本文只是對水冷換熱器進(jìn)行了計算分析，并確定了水冷換熱器的換熱面積和風(fēng)阻大小，以此作為風(fēng)機(jī)選型的主要依據(jù)。

第二，環(huán)溫：55℃，風(fēng)機(jī)向內(nèi)吹風(fēng)，半導(dǎo)體功率：763W，在半導(dǎo)體兩端加兩個接觸熱阻0.0025℃/W，最高溫度出現(xiàn)在半導(dǎo)體中心，最高溫度85.72℃。

通過仿真從半導(dǎo)體組件的表面溫度分布和速度矢量分布圖能夠發(fā)現(xiàn)，利用風(fēng)機(jī)抽風(fēng)式進(jìn)行散熱，具有更加理想的效果，并使最高溫度出現(xiàn)了明顯的下降。由于抽風(fēng)機(jī)在抽風(fēng)的過程中，每一個部分的風(fēng)量都較均勻，從而使散熱器能夠得到充分的冷卻，所以最后選擇了散熱器與抽風(fēng)冷卻相結(jié)合的散熱方式。

另外，還對不同風(fēng)速條件下的半導(dǎo)體組件的散熱情況進(jìn)行了仿真。其中將環(huán)境溫度設(shè)為20℃，風(fēng)速分別設(shè)為4m/s、5m/s、7m/s、9m/s、11m/s，通過仿真半導(dǎo)體組件的最高溫分別為46.88℃、44.76℃、42.00℃、40.255℃、39.03℃，則最高溫度與風(fēng)速的曲線如圖1

所示。

由圖1能夠發(fā)現(xiàn)，隨著經(jīng)過散熱器半導(dǎo)體組件的空氣流速增大，半導(dǎo)體組件的最高溫度持續(xù)降低，然而當(dāng)空氣流速達(dá)到9m/s，半導(dǎo)體組件的溫度基本處于穩(wěn)定，當(dāng)繼續(xù)增加空氣流速時，半導(dǎo)體組件的溫度并未出現(xiàn)明顯的變化，但卻增加了系統(tǒng)的背壓以及噪音。

3 對半導(dǎo)體組件的溫升進(jìn)行測試

在溫升試驗的過程中，給半導(dǎo)體組件通625A的電流，風(fēng)機(jī)向外抽風(fēng)，測得風(fēng)機(jī)前面出風(fēng)口風(fēng)速為15m/s，型材散熱器的進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為后中4.7m/s、上下5.7m/s。

由圖2可知，半導(dǎo)體組件的溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的溫升約為20K。

4 結(jié)語

本文借助計算和仿真獲得了如下結(jié)論：理論計算與仿真獲得的半導(dǎo)體組件溫度基本相同。然而經(jīng)過試驗獲得的溫升卻偏低，這是因為試驗所測量的溫度屬于管殼的表層溫度，而半導(dǎo)體組件的最高溫度卻是半導(dǎo)體PN的結(jié)溫。通過分析半導(dǎo)體組件的冷卻方式，并對大功率半導(dǎo)體組件的散熱計算、仿真和試驗驗證，為設(shè)置在封閉環(huán)境下的高電壓和大電流變頻器的散熱問題提供了積極的解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳希章，劉中良，馬重芳，等.電子芯片散熱器特性的測試研究[J].工程熱物理學(xué)報，2004，（6）.

[2] 趙瑞松.電力半導(dǎo)體器件風(fēng)冷散熱系統(tǒng)實驗裝置設(shè)計[D].重慶大學(xué)，2015.

[3] 余建祖，高紅霞，謝永奇.電子設(shè)備熱設(shè)計及分析技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4] 鄭宏.大功率電力電子變流器散熱技術(shù)的研究[D].江蘇大學(xué)，2013.

作者簡介：周靖（1970-），女，湖北秭歸人，株洲變流技術(shù)國家工程研究中心有限公司工程師，研究方向：大功率電力電子裝備的散熱和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）