基于流體計算的求解水冷散熱器熱阻抗的方法

姬 凱，康 樂，吳 丹，陳叔衡，2

（1.中船重工武漢船用電力推進裝置研究所，湖北 武漢 430064；2.艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，湖北 武漢 430064）

1 引言

隨著半導體技術的飛速發(fā)展，高壓大電流IGBT逐漸成為現(xiàn)代電力電子設備的核心器件。通常情況下，IGBT工作在非理想的開關狀態(tài)，因此存在著導通和開關損耗。在大容量電力電子設備中，這些損耗往往都很大，其結(jié)果將導致器件的溫升很嚴重，當器件管芯的溫度升高到100℃以上時，將嚴重影響器件的正常工作，甚至永久性損壞，因此器件的散熱問題就顯得尤為重要。為了提高功率密度，在使用IGBT模塊時通常采用水冷的方式，在實際中往往都是根據(jù)設備的結(jié)構(gòu)、強度以及IGBT模塊安裝的要求來設計水冷散熱器。由于沒有統(tǒng)一的標準，散熱器的熱阻以及熱抗的值往往不得而知，這就給計算IGBT模塊的結(jié)溫帶來了很大困難。

2 熱阻熱抗的計算方法

根據(jù)物體溫度與時間的關系，傳熱過程可分為穩(wěn)態(tài)過程（又稱定常過程）和非穩(wěn)態(tài)過程（又稱非定常過程）。對穩(wěn)態(tài)過程而言，其熱阻定義為：

其中：T-T0為溫升，單位K；P為功耗，單位W。

對非穩(wěn)態(tài)過程而言，其熱抗定義為：

其中：T（t）-T（t0）為 t時刻的溫升。

當t→∞時，傳熱過程達到穩(wěn)態(tài)，Zt（t）→Rt。

大功率水冷散熱器通常采用由內(nèi)部帶水路的銅基板組成，其熱阻和熱抗由銅基板的結(jié)構(gòu)和流過水路的水流量決定。由于銅基板與冷卻水之間存在著復雜的湍流換熱過程，其本質(zhì)上是一個涉及到流體流動、流固熱交換以及固體熱傳導等方面的流體力學問題，因此要比較準確地計算出散熱器的熱阻和熱抗，可以采用計算流體力學（Computing Fluid Dynamics）的方法進行求解［1］。其步驟如下:

①利用Gambit對水冷散熱器進行物理建模，定義模型中的固體區(qū)域與流體區(qū)域，并定義固體與流體熱交換的區(qū)域；

②定義散熱器的熱生成區(qū)域；

③定義流體的邊界條件；

④利用Gambit對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，并保存生成的網(wǎng)格文件；

⑤通過Fluent讀取保存的網(wǎng)格文件，設置流體與固體的材料屬性、邊界條件、熱通量等計算必須的參數(shù)；

⑥選取非定常計算模式，設定時間步長與時間，開始計算，并保存每步的計算結(jié)果；

⑦根據(jù)計算結(jié)果計算每個時刻散熱器的溫度T（t），依式（2）計算散熱器的熱抗［2］-［5］。

3 熱阻熱抗的計算實例

以常用的IGBT封裝模式IHM130*140為例，如果安裝在130mm×140mm的水冷散熱器上，散熱器材料為銅，厚度12mm，內(nèi)有一條直徑8mm的水路［6］。

利用Gambit建立計算模型，定義流體邊界為速度進口、流量出口，固體邊界條件為熱通量邊界，并劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格圖如圖1所示。

圖1 散熱器計算網(wǎng)格圖

在Fluent中倒入網(wǎng)格文件，設定固體材料屬性為copper，流體為water-liquid，速度進口為V=1.0m/s，散熱器IGBT安裝面熱通量為40000W/m2，初溫T0=300K。采用非定常計算模式，時間步長為1s，共計算300步。其計算結(jié)果如圖2-6所示。

按同樣的方法，在相同的邊界條件下，分別計算冷卻水流速 V=0.5m/s、V=1.0m/s、V=2.0m/s時散熱器的溫度隨時間的變化關系，根據(jù)式（2）計算對應的熱阻和熱抗值，繪制成曲線，如圖7所示。

圖2 t=1s散熱器溫度分布圖，Tmax=302K

圖3 t=10s散熱器溫度分布圖，Tmax=310K

圖4 t=50s散熱器溫度分布圖，Tmax=336K

圖5 t=100s散熱器溫度分布圖，Tmax=351K

圖6 t=200s散熱器溫度分布圖，Tmax=360K

當t到達100s后，傳熱過程基本達到穩(wěn)態(tài)，對應的熱阻分別為 0.1126K/W（V=0.5m/s）、0.0838 K/W（V=1.0m/s）、0.0577 K/W（V=2.0m/s）。

根據(jù)圖7的熱抗曲線，再結(jié)合IGBT器件本身的熱抗曲線，根據(jù)公式：

可以方便地計算出不同冷卻水流量下穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的結(jié)溫。

圖7 散熱器熱抗曲線

4 結(jié)論

利用Gambit和Fluent提供的強大的流體傳熱計算功能，采用非定常三維仿真計算方法，可以方便地計算出不同幾何形狀、不同散熱介質(zhì)、不同散熱條件下的散熱器熱阻和熱抗，根據(jù)計算出的散熱器熱阻和熱抗值就可以比較準確地計算穩(wěn)態(tài)以及過載、故障等動態(tài)情況下IGBT模塊管芯的結(jié)溫，從而保證器件可靠安全工作。

［1］Fluent 6.2 Tutorial Guide，F(xiàn)luent Inc.

［2］Advance Thermal Modeling，F(xiàn)luent Inc.

［3］Gambit 2.3 User Guide，F(xiàn)luent Inc.

［4］Gambit 2.3 Tutorial Guide，F(xiàn)luent Inc.

［5］Fluent 6.2 User Guide，F(xiàn)luent Inc.

［6］Power Electronic Device Application Manual，Semikro.