冷板傳熱特性的計(jì)算流體力學(xué)仿真方法

吳 剛，朱雅鵬，周守鋒，張瑜珊

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，西安 710065)

大功率電子模塊廣泛應(yīng)用在交通控制、功率變換、工業(yè)電機(jī)、不間斷電源、風(fēng)電與太陽(yáng)能設(shè)備等領(lǐng)域。伴隨著大功率電子模塊的熱流密度日益提高，對(duì)其冷卻系統(tǒng)的散熱能力提出了越來(lái)越高的技術(shù)要求。通常當(dāng)大功率電子模塊的熱流密度大于0.6 W/cm2時(shí)，液體冷卻將成為冷卻方式的最佳選擇［1］。液體冷卻中最常見(jiàn)的是冷板，冷卻介質(zhì)在冷板內(nèi)置的通道內(nèi)流過(guò)，帶走安裝在冷板上的電子元器件所耗散的熱量。

大功率電子模塊用冷板的傳熱特性(主要包括溫度場(chǎng)分布情況和熱效率)的研究成果多限于單一工況條件下的傳熱特性分析，即電子模塊在某一定值功率輸出條件下所對(duì)應(yīng)的傳熱特性。文獻(xiàn)［2］分析了直線型流道、S型流道和有內(nèi)置分流片的S型流道3種冷板在單一工況條件下的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布情況，得出有內(nèi)置分流片的S型流道熱效率最高。文獻(xiàn)［3］研究了中間入口的S型流道、雙S型流道和中間入口的雙S型流道3種改進(jìn)的流道結(jié)構(gòu)在單一工況條件下的溫度場(chǎng)分布和流動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:中間入口的S型流道具有最佳的熱效率和流動(dòng)綜合性能。文獻(xiàn)［4］對(duì)不同翅片結(jié)構(gòu)的冷板在單一工況下的溫度分布進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出X型翅片結(jié)構(gòu)的冷板比直線型翅片冷板溫度場(chǎng)分布更加合理。以上文獻(xiàn)多限于研究單一工況條件下冷板流道結(jié)構(gòu)的變化和冷板翅片結(jié)構(gòu)變化對(duì)應(yīng)的傳熱特性。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，大功率電子模塊工作環(huán)境通常比較復(fù)雜，需要在不同工況條件下工作，根據(jù)實(shí)際情況需要頻繁切換功率輸出狀態(tài)，不同工況對(duì)應(yīng)著電子模塊不同的功率輸出，即不同的熱量耗散，其工況變化會(huì)使冷板的傳熱特性也發(fā)生相應(yīng)的變化。此時(shí)冷板在倍增的電子模塊發(fā)熱功率下溫度分布的變化規(guī)律和相應(yīng)的熱效率變化情況不明。由于對(duì)電子模塊的散熱不良區(qū)域位置不了解，因此無(wú)法對(duì)熱量集中區(qū)域采取必要冷卻措施，同時(shí)對(duì)相應(yīng)的熱效率情況也不清楚，不知道冷板散熱情況是否達(dá)到飽和狀態(tài)，是否有一定的散熱潛力可供挖掘。對(duì)冷板在不同工況條件下的傳熱特性的正確認(rèn)識(shí)是確保電子模塊正常運(yùn)行的重要前提。大功率電子模塊用冷板在不同工況條件下的溫升是否是線性關(guān)系，熱效率如何變化等傳熱特性研究成果尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。本文提出冷板在不同工況下傳熱特性的計(jì)算流體力學(xué)仿真方法。

1 計(jì)算流體力學(xué)仿真的一般方法

1.1 電子模塊集成冷板的結(jié)構(gòu)

一典型結(jié)構(gòu)的大功率電子模塊由6個(gè)IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)及冷板組成。每個(gè)IGBT尺寸為100 mm×60 mm，每2個(gè)IGBT為1組，3組排1行，組與組芯片之間的間距為30 mm，每組內(nèi)部芯片的間距為3 mm。冷板尺寸為720 mm×250 mm×30 mm，由6063鋁基板與T2紫銅管組成。IGBT位于T2紫銅管正上方，冷卻液從管內(nèi)流過(guò)。電子模塊集成冷板的結(jié)構(gòu)如圖1所示。表1列出該冷板的相關(guān)參數(shù)。

圖1 電子模塊集成冷板的結(jié)構(gòu)

表1 冷板相關(guān)參數(shù)

1.2 計(jì)算流體力學(xué)仿真的一般方法

使用計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行仿真，可借助商業(yè)軟件來(lái)完成需要的任務(wù)，也可直接編寫計(jì)算程序，兩種方法的基本工作過(guò)程是一致的［5－9］。仿真主要分5步:建模;定義邊界條件;網(wǎng)格劃分;計(jì)算;后處理。其中50%以上的工作量花在建模和網(wǎng)格劃分上。可以使用商業(yè)軟件自身的前處理器生成幾何模型，也可以借用其他商業(yè)CAD/CAE軟件生成的模型。邊界條件是在求解區(qū)域的邊界上所求解的變量或其導(dǎo)數(shù)隨時(shí)間和地點(diǎn)的變化規(guī)律。定義的邊界條件包括工作環(huán)境條件、求解域、熱元件物性參數(shù)、散熱功率等。網(wǎng)格如何劃分直接決定求解的精度和速度。在保持適當(dāng)精度的前提下，應(yīng)盡量減少網(wǎng)格數(shù)，尋求計(jì)算精度和網(wǎng)格數(shù)的最佳平衡點(diǎn)。計(jì)算的核心是數(shù)值求解方案，常用的求解方案包括有限差分、有限元、譜方法和有限體積法等。后處理則將計(jì)算過(guò)程得出的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的解以適當(dāng)?shù)氖侄伪硎境鰜?lái)，一般通過(guò)線值圖、矢量圖、等值線圖、流線圖、云圖等方式對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行表示。

2 冷板傳熱特性的計(jì)算流體力學(xué)仿真方法

2.1 建模

計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)冷板在不同工況下的傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。首先建立傳熱過(guò)程模型。建模前需要對(duì)電子模塊元器件組成和傳熱過(guò)程分別進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。大功率電子模塊上的元器件都向外散發(fā)熱量，但散熱功率差別巨大，甚至是幾個(gè)數(shù)量級(jí)的。將散熱功率微小的元器件忽略不計(jì)，計(jì)算時(shí)僅考慮散熱量大的元器件，簡(jiǎn)化了電子模塊元器件組成。冷板真實(shí)的傳熱過(guò)程包括傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射3種方式，但由于輻射傳熱的功率低，此方式可忽略不計(jì)。冷板傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為液體流動(dòng)換熱、固－液對(duì)流換熱及固體導(dǎo)熱的耦合傳熱問(wèn)題。建模前需要對(duì)流體的屬性參數(shù)作出以下假設(shè):①流體的物性參數(shù)為常數(shù);②流體定常流動(dòng);③流體不可壓縮;④流體在壁面無(wú)滑移，即壁面處的流速為0。完成上述簡(jiǎn)化和假設(shè)后，即可向軟件輸入幾何模型，定義所求問(wèn)題模型的相關(guān)數(shù)據(jù)，完成建模工作。

2.2 定義邊界條件

數(shù)值模擬過(guò)程中邊界條件的設(shè)置最難掌握，但卻對(duì)計(jì)算結(jié)果有重要的影響。根據(jù)對(duì)冷板傳熱過(guò)程作出的假設(shè)設(shè)置以下邊界條件:①IGBT處的等熱流密度邊界;② 冷板入口水流速;③ 出口的局部單向化邊界條件。由于本文所涉及的傳熱過(guò)程是穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，所以不需要初始條件。

2.3 網(wǎng)格劃分和計(jì)算

網(wǎng)格劃分是一個(gè)“漫長(zhǎng)而枯燥”的工作過(guò)程，因此出現(xiàn)了許多商品化的專業(yè)網(wǎng)格生成軟件，可以利用這些工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分。此方法沒(méi)有特別之處，但需要進(jìn)行大量的嘗試才能夠取得最佳的劃分結(jié)果。控制方程的求解采用壓力耦合方程組的半隱式方法(SIMPLE算法)，此算法是目前工程上應(yīng)用最為廣泛的一種流場(chǎng)計(jì)算方法，具有適用范圍寬廣、收斂速度快捷的特點(diǎn)。

2.4 后處理

首先利用基于熱力學(xué)獲得的冷卻劑流量作為初始值，將其代入數(shù)值模擬過(guò)程，可以得到冷板的溫度場(chǎng)分布云圖。通過(guò)云圖發(fā)現(xiàn)其滿足冷板的散熱要求，但是其冗余量很大，會(huì)提高冷卻系統(tǒng)的水泵性能要求，增加制造成本，降低系統(tǒng)的可靠性。反之，如果偏小，又會(huì)造成系統(tǒng)溫度過(guò)高、溫升失控等問(wèn)題，將威脅電子模塊的生命。將冷卻劑流量初始值逐步降低，通過(guò)多次的仿真迭代分析使其接近真實(shí)的最優(yōu)值。該最優(yōu)結(jié)果既能滿足冷板在不同工況下的散熱需求，同時(shí)熱效率相對(duì)最高，從而對(duì)冷卻系統(tǒng)的水泵硬件條件要求降低，達(dá)到效能比最高的要求。最后，以流量最優(yōu)值為已知參數(shù)代入單一工況條件下的仿真過(guò)程，能夠得到一個(gè)溫度場(chǎng)的分布云圖，進(jìn)一步可得到熱效率。以流量最優(yōu)值為已知參數(shù)代入不同工況條件下的仿真過(guò)程，能夠得到多個(gè)溫度場(chǎng)的分布云圖，進(jìn)一步可得對(duì)應(yīng)的熱效率，從而仿真得到冷板在不同工況下的傳熱特性。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真實(shí)例

上述結(jié)構(gòu)的電子模塊需要在6種不同的功率輸出模式下正常工作，不同工況下的熱耗散功率參數(shù)見(jiàn)表2，其中最大熱耗散功率約是最小值的4.3倍。利用計(jì)算流體力學(xué)方法仿真得到的冷板溫度分布云圖從理論上可以獲得溫度場(chǎng)上任意一點(diǎn)的溫度值，得到冷板的溫度場(chǎng)分布情況，進(jìn)一步可得到冷板的熱效率，從而全面掌握冷板傳熱性能。

表2 散熱元器件參數(shù)

上述結(jié)構(gòu)的電子模塊在6種不同工況下的溫度仿真結(jié)果見(jiàn)圖2。當(dāng)冷卻液進(jìn)口溫度為19.7℃，流速為4 LPM時(shí)，選擇電子模塊上的5個(gè)典型的工位點(diǎn)(包括冷卻劑進(jìn)、出口處，冷板上最高溫度處，最低溫度處，隨機(jī)一處)作為測(cè)試點(diǎn)，它們?cè)?種不同工況下的溫度場(chǎng)分布情況如下:冷板在熱耗散功率成倍增加的工況下，溫度場(chǎng)分布規(guī)律表現(xiàn)出很高一致性，電子模塊上任意一點(diǎn)的溫度值都伴隨著耗散功率的增加而提高，但并非是線性關(guān)系;當(dāng)熱元件耗散功率是最低功率的2倍時(shí)，5個(gè)測(cè)試點(diǎn)溫差很小，可見(jiàn)此時(shí)冷板將IGBT耗散的熱量絕大部分吸收，冷卻液通過(guò)對(duì)流的形式將熱量帶走;隨著耗散功率進(jìn)一步增大，電子模塊的溫度升高比較明顯。當(dāng)元器件耗散功率增加到最小值的3.2倍時(shí)，溫度大約升高20%;當(dāng)元件耗散功率增加到最小值的4.3倍時(shí)，溫度大約升高30%。通過(guò)仿真溫度場(chǎng)，可以得到在6種工作載荷下的冷板熱效率。當(dāng)元器件處于中低耗散功率時(shí)，冷板熱效率接近100%;在最高耗散功率時(shí)，冷板熱效率接近90%。

圖2 不同工況下電子模板測(cè)試點(diǎn)溫度仿真值

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

這里對(duì)冷板的傳熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。循環(huán)水路的動(dòng)力由水泵提供，流速通過(guò)安裝在主回路和儲(chǔ)水箱支管上的3個(gè)閥門來(lái)調(diào)節(jié)。芯片產(chǎn)生的熱量由空氣－水換熱器帶到周圍環(huán)境中。冷板的進(jìn)出口水溫通過(guò)2個(gè)熱電偶測(cè)量，流速通過(guò)流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。芯片及冷板上表面的溫度通過(guò)17個(gè)熱電偶測(cè)得。通過(guò)熱電偶測(cè)得電子模塊的某一位置的實(shí)時(shí)溫度得到溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，進(jìn)一步可得冷板的熱效率。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示19處熱電偶測(cè)得的溫度值表現(xiàn)出一致的特性。圖4是在冷卻液入口溫度為19.7℃，流速為4 LPM的情況下，電子模塊在6種不同工況下的最高溫度情況。由圖4可知測(cè)得的溫度峰值均大于仿真值，其中最小的誤差為8%，最大的誤差為15%，但都在合理的范圍內(nèi)(傳熱過(guò)程的熱力學(xué)仿真存在一定的計(jì)算誤差，一般在30%左右，如果將誤差控制在20%左右已經(jīng)算是精確的結(jié)果)。可以看到電子模塊在熱耗散功率成倍增加的工況下，溫度場(chǎng)分布規(guī)律表現(xiàn)出很強(qiáng)的一致性，為一種非線性的特征，當(dāng)最大的熱負(fù)荷是最小值4.3倍時(shí)電子模板的最高溫度上升了22%。

圖4 不同工況下電子模塊的最高溫度

圖5為在冷卻液入口溫度為19.7℃，流速為4 LPM的情況下，冷板在6種不同工況下的熱效率。由圖5可知實(shí)驗(yàn)獲得的熱效率值均小于仿真值，即冷板真實(shí)的熱效率比仿真結(jié)果低。可以看到在低耗散功率下，冷板的散熱效率達(dá)到90%左右，可將電子模塊絕大部分熱量帶走。當(dāng)耗散功率最大時(shí)，冷板熱效率降至74%。這體現(xiàn)了傳熱模型復(fù)雜性:在一個(gè)傳熱的過(guò)程中，熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱、輻射傳熱都有參與，但各自在傳熱的過(guò)程中所占比例不同，而且伴隨著傳熱工況的變化而改變。伴隨著熱元件耗散功率的增大，冷板的熱效率逐漸降低。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真所得出的溫度特性表現(xiàn)出的趨勢(shì)是一致的。

圖5 不同工況下冷板的熱效率

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

冷板傳熱特性的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出一致的趨勢(shì)，可以看到基于計(jì)算流體力學(xué)方法的仿真模型對(duì)冷板的傳熱特性模擬得比較準(zhǔn)確。兩種方法都表現(xiàn)出伴隨著電子模塊散熱功率的成倍增加，電子模塊溫升與冷板的傳熱量并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差，表現(xiàn)在仿真獲得的溫度值比真實(shí)值低，熱效率比真實(shí)值高。這主要是由于在仿真分析過(guò)程中設(shè)定了一些理想化的條件，以及計(jì)算流體力學(xué)分析方法自身存在一定的局限性，程序的編制在很大程度上依賴于個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和技巧等，因此仿真結(jié)果必然與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的誤差，但不足以影響對(duì)冷板傳熱特性的正確認(rèn)知。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法可以得到冷板的傳熱特性，但是實(shí)驗(yàn)往往受模型尺寸、流場(chǎng)擾動(dòng)、測(cè)試人員安全和測(cè)量精度的限制，對(duì)于某些特殊情況可能很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法得到結(jié)果。此外，實(shí)驗(yàn)還會(huì)遇到經(jīng)費(fèi)、人力、物力的巨大耗費(fèi)及周期長(zhǎng)等許多困難。基于計(jì)算流體力學(xué)方法的數(shù)值模擬克服了實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法的弱點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)特定的計(jì)算，就好像在計(jì)算機(jī)上做了一系列物理實(shí)驗(yàn)，最終可以直觀地表現(xiàn)冷板的傳熱特性。哪些區(qū)域溫度過(guò)高或散熱情況不良等，通過(guò)仿真可以做到一目了然，心中有數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出冷板在不同工況下的傳熱特性的計(jì)算流體力學(xué)仿真方法。通過(guò)對(duì)電子模塊元器件組成和傳熱過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)流體的屬性參數(shù)進(jìn)行假設(shè)，簡(jiǎn)化傳熱模型，設(shè)置邊界條件，選擇SIMPLE算法作為控制方程的求解算法，仿真得到冷板在不同工況下傳熱特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:基于計(jì)算流體力學(xué)方法的仿真模型對(duì)冷板在不同工況下的傳熱特性的模擬比較準(zhǔn)確。

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