IGBT用3D复合热管散热器的数值模拟与实验验证

IGBT用3D复合热管散热器的数值模拟与实验验证

杨雄鹏^1,2,3， 张磊^2,3，曹伦^2,3

（1.西安交通大学，陕西西安 710049；2.特变电工西安电气科技有限公司，陕西西安 710065；

3.特变电工新疆新能源股份有限公司，新疆 乌鲁木齐830011）

 

摘要：IGBT元件广泛应用于变频器、逆变器、电力传动等各个方面，随着其工作热耗和自身体积功率密度的不断增大，其散热设计的好坏，直接关系到其运行的稳定性、可靠性及使用寿命。本文以3D复合热管散热器应用于IGBT模块冷却系统为研究对象，详细介绍了其结构组成和工作原理，并通过数值仿真模拟和实验验证，充分评估了其应用优势，可在有限的结构空间下，使得超高功率密度IGBT模块的温度得到非常好的控制，使得器件长期安全可靠稳定地工作，提高了整机产品的可靠性。

关键词：IGBT；复合相变；热管散热器

中图分类号：

      IGBT with a 3D composite heat pipe Numerical simulation and experimental validation of the radiator

YANG Xiong-peng^1,2,3，ZHANG Lei^2,3，CAO Lun^2,3,

(1. Xi'an Jiao Tong University， Shaanxi, Xi'an 710049，China；

 2. TBEA Xi’an Electric Technology Co. Ltd，Xi’an 710065 China；

3. TBEA Sunoasis Co. Ltd，Urumchi 830011，China）

Abstract：IGBT components widely used in all aspects converters, inverters, power transmission, etc., with their work and their own heat consumption is increasing volumetric power density, the thermal design is good or bad, is directly related to the stability of its operation, reliability and service life. In this paper, 3D composite heat pipe radiator cooling system applied to IGBT module for the study, details of their structure and working principle, and by numerical simulation and experimental verification, a full assessment of the advantages of its application, available for a limited under the structure of space, making the high power density of the IGBT module temperatures get very good control, so that the device is safe and reliable and stable long-term work to improve the reliability of the whole product.

Keyword：IGBT; composite phase change; heat pipe heatsink

  

1  引   言

  

 

基金项目：国家“863”项目（2011AA05A305） 定稿日期：2015-07-08 作者简介：杨雄鹏（1983.12），男，甘肃平凉人，硕士研究生，主要从事流体和传热研究。

近年来，IGBT向着高压、高速、高频、大容量、小型化、集成化的方向发展，使得IGBT单位容积发热量越来越大，过热成为了IGBT故障的首要原因。为了使IGBT模块正常工作，需要进行散热设计，使其工作温度控制在可容许最大结温（T_jmax）以下。因为温度如果超过这个允许值，IGBT模块性能将会明显下降，并不能稳定工作，从而影响IGBT模块运行的可靠性。如果热设计不合理，将会导致IGBT故障，甚至烧毁。因此，如何为IGBT设计性能可靠、使用灵活、结构紧凑、散热高效、不用维修的散热器，成为电力电子设备冷却领域的热门研究课题。^[1]

传统的单相流体的对流换热方式只能适用于热流密度不大的电力电子设备。因此必须设计开发新的散热手段以满足IGBT高热流密度散热的要求。热管散热器是结合先进的热管技术及环肋散热技术，与传统散热器相比又称为相变散热器，适合高热流密度情况下的散热，可满足IGBT对散热器紧凑、可靠、灵活、高效散热、不要维修等要求。^[2]

2  热管结构及工作原理

热管的基本工作原理如图1所示，典型的热管有管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3X(10^-1~10^-4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。其工作机理是工质液体与吸液芯之间产生的表面张力必须大到能克服管内压降，并维持工质液体循环。当热管的一蒸发段受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向冷凝段放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环工作。^[3]

图1 热管原理示意图

3D复合相变热管散热器，如下图2所示，基板与复合超导平板热管（FHP）组成3D连通的相变传热体系，相变基板受热时，工质吸收热量，相变为蒸汽，蒸汽沿蒸汽通道将热量传递至每片热管（FHP）管道，并将热量传递至远端，FHP散热翅片进行热量交换，释放热量，工质冷凝回流至相变基板区，从而形成热量交换循环。

图2 3D复合热管热流循环示意图

3  数值仿真及实验

3.1 仿真建模

由于热管的传热存在复杂的相变（汽态-液态-汽态）情况，因此若要通过数值分析方法对热管的传热进行分析，将涉及到复杂的计算流体动力学分析，热管的内部结构使得流体的边界条件十分复杂，而且真空的内部传热情况无法实验验证。因此对其进行真实建模是无法做到的。

本文根据热管的导热机理，将结构复杂的热管用具有很大热传导系数的简单导热体来近似，将基板和FHP的导热系数分别设置为：Kx=30000w/m.k；Ky=30000w/m.k；Kz=400w/m.k，以等效简化热传导仿真模型，物理模型如下图3所示，结构框架尺寸为：490mm*290mm*400mm，其FHP厚度4.2mm。

图3 3D复合热管散热器结构模型

3.2 控制方程

流体与传热一般要遵循三个最基本的守恒定律：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。

（1）质量守恒方程

（2）动量守恒方程

（3）能量守恒方程

其中，u、v、w是速度矢量V在直角坐标系x、y、z方向上的三个分量；为流体的粘性系数；p 为流体微团所在处的静压力；F_x、F_y、F_z是体积力在x、y、z方向上的分量；ג为流体的导热系数；c_p为流体的定压比热容。对于不可压缩粘性流体的层流及湍流流动都适用。

3.3 数值模拟

本文通过CFD软件进行数值模拟，初始条件为：（1）环境50℃、3000m海拔；（2）单个IGBT模块的热耗P=2992W；Rjh=（3）选择抽风方式，风机选用德国施乐百RH40M型号，PQ曲线如下图4所示：

图4 RH40M风机PQ曲线示意图

3.4 模拟结果

如下图5、图6所示，3D复合热管散热器温度场、压力场、速度场均已收敛平衡，此可确保仿真结果。

图5 收敛平衡曲线

 

图6 温度监控点平衡曲线

IGBT用3D复合相变热管散热器模拟结果如下图7、图8所示，IGBT壳温分别是97.7℃、97.8℃、97.9℃，即得到各IGBT温升分别为47.7℃、47.8℃、47.9℃。速度粒子流云图如图9所示。

   图7 IGBT表面壳温云图

图8 IGBT用3D复合热管散热器云图

图9  整机速度粒子流云图

3.5 实测验证

在环境温度26.9℃，接近海平面的上海工程实验室，按下图10搭建整机实验平台，采用RH40M风机抽风，各IGBT的壳温分别为：62.4℃、62.5℃、62.6℃，即得到各IGBT温升分别为35.5℃、35.6℃、35.7℃。

图10  整机实验平台搭建

3.6 模拟结果与实测结果对比

考虑海拔对空气换热系数的影响，有：

式中：，分别为高空和海平面的空气换热系数；，分别为高空和海平面的大气压力，牛顿冷却公式为Q=A，假设换热量Q不变，可推知在3000m海拔工况下的模块温升是海平面工况下的1.35倍。通过上述关系将实验室测试结果修订到3000m海拔工况，得到各IGBT的温升分别为：47.9℃、48℃、48.2℃。

通过对比实验数据和数值模拟结果，两者评估的结果是一致的，可知该数值模拟结果是准确的，该数值模拟过程是可行的。

再根据Rjc=19.5K/KW, △Tjc=24.4℃可推算，在环境温度50℃，3000m海拔工况下，采用3D复合热管散热器，各IGBT的最终结温分别为：122.3℃、122.4℃、122.6℃，距国军标II级（0.8）降额点140℃还有充足余量，可保证IGBT模块长期安全可靠稳定运行。

4   结论

随着IGBT模块单位体积功率密度的不断增大，热管作为传热元件越来越多地运用于散热系统中，尤其是3D复合热管散热器，其具有体积小，导热性能更加优良，散热效率更高等优势，逐渐被应用于超高功率密度的IGBT散热设计系统中。可在有限的结构空间下，使得超高功率密度IGBT模块温度得到很好的控制，使得器件长期安全可靠稳定地工作，同是保证了整机产品的可靠性。

参考文献

[1]       卢申林．电子产品的散热设计［Ｊ］．可靠性分析与研究，2004，12：46-48.

[2]       刘红.热管散热器数值仿真模型．浙江：半导体光电，2012.4.

[3]       孙志坚.电子器件回路型热管散热器的数值模拟与试验研究．浙江大学，2007.