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，武漢 430064；2.艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430064）

1 引言

隨著半導體技術的飛速發展，高壓大電流IGBT逐漸成為現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，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，設計者在使用 IGBT模塊時通常采用水冷的方式，在實際中往往都是根據設備的結構、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模塊的節溫帶來了很大困難，穩態過程（又稱定常過程）和非穩態過程（又稱非定常過程）。對穩態過程而言，其熱阻定義為

其中， T-T0為溫升，單位K，P為功耗，單位W。對非穩態過程而言，其熱抗定義為

其中， T( t)- T( t0)為t時刻的溫升。

當t→∞時，傳熱過程達到穩態， Zt( t)→Rt。

大功率水冷散熱器通常采用由內部帶水路的銅基板組成，其熱阻和熱抗由銅基板的結構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問題的流體力學問題，因此要比較準確的計算出散熱器的熱阻和熱抗，可以采用計算流體力學（Computing Fluid

2 熱阻熱抗的計算方法

根據物體溫度與時間的關系，傳熱過程可分為Dynam ics）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域與流體區域，并定義固體與流體熱交換的區域。

（2）定義散熱器的熱生成區域。

（3）定義流體的邊界條件。

（4）利用Gambit對計算區域進行網格劃分，并保存生成的網格文件。

（5）通過Fluent讀取保存的網格文件，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。

（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果。

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

3 熱阻熱抗的計算實例

以常用的IGBT封裝模式IHM 130×140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，并劃分網格，網格圖如圖1所示。

圖1 散熱器計算網格圖

在Fluent中倒入網格文件，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40000 W/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，302K=Tmax

圖3 t=10s散熱器溫度分布圖，310K=Tmax

圖4 t=50s散熱器溫度分布圖，336K=Tmax

圖5 t=100s散熱器溫度分布圖， 351K=Tmax

圖6 t=200s散熱器溫度分布圖，360K=Tmax

圖7 散熱器熱抗曲線

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

根據圖7的熱抗曲線，再結合IGBT生產廠商提供的IGBT器件本身的熱抗曲線，根據公式：

可以方便地計算出不同冷卻水流量下穩態和動態的結溫。

4 結論

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，可以方便的計算出不同幾何形狀、不同散熱介質、不同散熱條件下的散熱器熱阻和熱抗，根據計算出的散熱器熱阻和熱抗值就可以比較準確地計算穩態以及過載、故障等動態情況下IGBT模塊管芯的節溫，從而保證器件可靠安全工作。

[1]Fluent 6.2 Tutorial Guide, Fluent Inc.

[2]Advance Thermal Modeling, Fluent Inc.

[3]Gambit 2.3 User Guide, Fluent Inc.

[4]Gambit 2.3 Tutorial Guide, Fluent Inc.

[5]Fluent 6.2 User Guide, Fluent Inc.

[6]Power Electronic Device Application Manual, Sem ikro.