大功率IGBT散熱器水冷熱阻計算

羅冰洋　黃麗婷　莫易敏　袁　慕

摘要：為了優化水冷散熱器散熱能力，保障其可靠工作，引用了傳熱學中的基本原理與公式，以散熱器外形的機械尺寸、水的強制對流換熱系數和水的導熱系數作為參數及變量推導了散熱器水冷熱阻的計算公式。同時為了滿足實際應用，開發了一種專用水冷散熱器熱阻計算和曲線繪制軟件，可以顯示熱阻隨參數變化而變化的各種曲線，也可以直接計算顯示熱阻值。為散熱器的設計中參數的優化選擇提供直觀方便的參考。

關鍵詞：水冷散熱器； 熱阻計算； 軟件； 大功率IGBT散熱器

中圖分類號：TN964?34 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2013）02?0165?03

和諧型電力機車是采用大功率半導體技術的交直交變流型電力機車。由于其具有先進的交流變頻調速、再生發電制動、大功率交流電機控制和自動化程度高等技術特點，使其在鐵路主干線運輸中的高速大功率機車上廣泛應用。每臺機車的變流器使用了三種IGBT模塊，即：四象限斬波器（4QC）模塊、電機側逆變器模塊（Inv）和輔助逆變器模塊。對某機務段2009年7月到2011年5月4日為止的305臺HXD1B電力機車變流器故障進行調研，結果發現，合計共有4 880個模塊在使用，出現故障255件次，出故障的IGBT 模塊顯示至少有一個IGBT 芯片失效，至今為止還未見除功率半導體器件外的原因造成的模塊故障，這種故障隨著季節性環境溫度的升高而增多。由此推斷，IGBT失效與其散熱狀況密切相關，所以對于電子器件的冷卻和散熱成為后期研究的重點之一。通過研究器件的冷卻和散熱問題，對其散熱條件進行優化改造，使其能盡量長時間工作在溫度適宜的環境下，降低事故發生率，從而對于維護鐵路機車安全運行有重要作用。

本文通過對大功率IGBT散熱器的散熱過程分析，先引用了傳熱學中的基本原理與公式，將熱阻的計算分為散熱器內固體傳熱過程產生的導熱熱阻以及散熱器與冷卻液間的傳熱過程產生的對流換熱熱阻兩部分，以散熱器外形的機械尺寸、水的強制對流換熱系數和水的導熱系數作為參數及變量推導了散熱器水冷熱阻的計算公式。為了簡化分析，編制了用于熱阻計算的軟件。該軟件具有簡單清晰的操作界面，可以顯示熱阻隨參數變化而變化的各種曲線，也可以直接計算顯示熱阻值。為散熱器的設計分析提供直觀方便的參考。

1 傳熱學的基本公式和原理

1.1 熱傳遞的原理與基本方式

熱傳導導熱的基本公式[1?3]為：

2.2 熱阻計算說明

下面用實例說明圖5，圖6熱阻曲線的制圖過程。在“1.3實例”中已經計算出串聯A模型，B模型的總熱阻。首先，我們將水的導熱系數λ0.5[W/mk]， L=0.005 m，le=0.55 m，B=0.45 m填入相應空格內。然后選擇曲線類型。不同水的強制對流換熱系數下，散熱器有效散熱面積與熱阻之間的關系如圖5所示。不同有效散熱面積下，水的強制對流換熱系數與熱阻之間的關系如圖6所示。在界面左下方還有“計算水冷熱阻”，點擊進入熱阻計算界面，如圖所示。按要求填入各個參數值：λ=0.5[W/mK]，L=0.005 m，le=0.55 m，B=0.45 m，h=1 000 [W/m2K]當輸入面積為1.411 8是算出熱阻值為92.502 801 066 337[cm2K/W]，與上面公式計算模型A結果92.503[ cm2K/W]相吻合。

3 結 語

本文主要介紹了利用傳熱學基礎原理和公式推導的大功率半導體器件用散熱器水冷熱阻計算公式和為應用方便開發的此公式的熱阻計算和熱阻曲線繪圖計算機軟件，經實例計算和曲線的繪制，可用于水冷散熱器設計時參考。要注意的是本公式的精確性受到多重因素的影響，存在一定的誤差，且本文中所用的散熱器熱阻公式只適合水冷散熱器。

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