機車緊湊式功率模塊液冷板設計

柴媛+王碩+高世駒

摘 要 在機車功率模塊設計時，針對高功率IGBT器件的散熱問題，引用了一種利用液冷板散熱的設計方法，以機車緊湊式功率模塊液冷板為例，詳細闡述了此種方法的設計原理、數值仿真計算及試驗，根據仿真及試驗結果，驗證了液冷板設計方法的合理性，對后續高功率機車及動車組緊湊式功率模塊液冷板設計具有借鑒作用。

關鍵詞 功率模塊；IGBT散熱；液冷板

中圖分類號 U26 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）163-0192-02

在機車車輛設計中，功率模塊的可靠性設計對機車的運行起著至關重要的作用，優良的散熱方式是功率模塊可靠工作的重要保障，功率模塊上主要的熱損耗器件是IGBT，功率模塊液冷板設計主要目標是確保IGBT在任何工況下都工作在安全溫度范圍內。IGBT的結溫過高會導致半導體器件失效，當其工作溫度每升高2℃時，可靠性隨之下降10%[1]。功率模塊上IGBT的布局及單個IGBT的熱流密度極大地影響了液冷板設計的可行性，如何設計液冷板的內部流道結構非常關鍵，與直線型均勻分布流道相比，S型水道不存在各個流道流體分布不均勻的情況，在一定程度上改善了散熱效果[2]，但由于其加工工藝簡便，對高熱流密度的IGBT散熱效果欠佳。本文主要論述了用于高功率模塊液冷板的設計改進方向、仿真分析及試驗驗證過程。

1 液冷板的設計步驟

在確定采用水冷散熱器作為IGBT散熱方式時，第一，綜合考慮功率模塊的結構、功耗、冷卻液的配比、散熱效率等因素，確定散熱器結構；第二，根據功率模塊發熱量、熱傳導方程式及液冷板的流體流動狀態，確定散熱器表面溫度，根據散熱器表面溫度便可以確定IGBT的管殼溫度，使IGBT的芯片溫度控制在要求的范圍內，確保功率模塊的可靠運行。

2 液冷板的設計

2.1 功率模塊幾何模型

機車緊湊式功率模塊IGBT布局示意圖如圖1所示，在液冷板A面布置等熱流密度的IGBT共6塊，每支IGBT的散熱量為2.4kW，在液冷板B面布置等熱流密度的IGBT共6塊，每支IGBT的散熱量為1.2kW。IGBT結溫為150℃，冷卻液為40%的乙二醇和60%水的混合物，最高入水口水溫為62℃，流量為40L/min。根據散熱模型及留取的安全工作裕量，液冷板板面溫度不高于87℃時，滿足設計要求。

2.2 液冷板單元一維傳熱數學模型

液冷板單元指的是單個IGBT的安裝面積所對應的液冷板實體，單個IGBT安裝面積為A，液冷板設計的目的是滿足所有的IGBT安裝面的溫度Ts低于要求溫度，所以建立液冷板單元傳熱數學模型來進行整體設計非常重要。

以功率模塊IGBT的安裝液冷板為研究對象，建立一維穩態導熱方程（1）：

上述公式中Ts為IGBT與液冷板接觸面的表面溫度，單位K或℃；？Af為冷卻介質與液冷板內部接觸面積，單位m2；T∞為冷卻液來流溫度，單位K或℃；η為液冷板內部擴展表面的總效率，h為冷卻介質與接觸壁面的對流換熱系數，單位W/m2·K；A為單個IGBT的安裝面積，單位m2；Q為單個IGBT熱耗散功率，單位W；d為安裝基板厚度，單位m；k為材料導熱系數，單位W/ m·K。

聯立公式（1）、（2）、（3）、（4）求解得：

公式（5）說明當IGBT熱耗散功率一定，增大安裝面積、內部對流換熱面積及傳熱系數、減薄基板厚度、減小來流溫度、提高材料導熱系數都是降低板面溫度Ts的措施。其中安裝面積由IGBT結構決定，考慮到工藝可行性及成本問題，大幅提高材料的導熱系數非常困難，因此改變內部對流換熱面積、傳熱系數以及來流溫度成為控制安裝面溫度Ts的關鍵因素。機車緊湊式功率模塊液冷板的設計，采用增大對流換熱面積及傳熱系數的方式，結構設計采用特殊結構的高密度翅片。

3 仿真分析

該液冷板采用混合網格的仿真分析方式，其中四面體網格數設定為3683089，六面體網格數設定為642424，整個仿真模型的總節點總數為2054148。根據液冷板的數值仿真計算的邊界條件，仿真計算使用控制容積法離散化方程，壓力速度耦合使用SIMPLEC算法，對流項采用Second？Order？Upwind？格式，仿真分析工況中雷諾數≥3200，湍流模型選擇k-ε模型標準壁面函數，冷卻液為濃渡40%的乙二醇溶液335.15K時的物性參數。

通過仿真分析的控制方程[4-6]，搭建液冷板散熱仿真模型進行仿真分析，所得結果如圖2所示。

不同IGBT安裝位置表面最高溫度相差最大值約20K，位于A面液冷板出水口位置的IGBT安裝面溫度最高，約為94.5℃，位于B面液冷板進水水口位置的IGBT安裝面溫度最低，約為70℃。

4 試驗結果

用模擬方法進行的熱性能試驗方法及結果如圖3所示，試驗結果可知位于液冷板A面出口處IGBT安裝面最高溫度為82.8℃，位于液冷板B面進口處IGBT安裝面最低溫度為70℃，單個IGBT安裝面溫度比較均勻。在機車功率模塊實際配機熱性能試驗中，IGBT最高溫度為84.4℃，位置位于液冷板A面出口IGBT4處。

5 結論

液冷板數值仿真、模擬試驗及配機試驗結果有一定差距，其中模擬試驗與配機試驗結果最接近。其主要原因為模擬試驗過程中很難測量到最高溫度與最低溫度點，同時由于數值仿真過程中對模型進行了一定的簡化，未考慮液冷板與周圍環境的輻射換熱及自然對流換熱，簡化后的物理模型對液冷板的計算結果有很大影響，會比實際溫度偏高，最高溫度與配機試驗結果偏差12%，最低溫度與模擬試驗結果偏差約1%，整體仿真數據與試驗較吻合。

通過數值仿真分析、模擬試驗及配機試驗對高功率機車緊湊式功率模塊液冷板傳熱特性的研究，得出以下結論：

1）通過仿真分析結果與試驗數據對比，說明了仿真分析結果可信，驗證了新的高效散熱液冷板結構的可行性。

2）通過對液冷板為傳熱模型進行分析，確立工程中復雜緊湊式功率模塊液冷板的改進方向。

參考文件

[1]徐小寧.開關電源可靠性設計研究[J].電氣傳動自動化，2009，31（3）：27-31.

[2]支淼川.電力電子設備水冷散熱器的數值模擬[D].北京：華北電力大學，2006.

[3]西安電力電子技術研究所.GB/T8446.2-2004 電力半導體器件用散熱器第2部分：熱阻和流阻測試方法[S].

[4]Xu W， Min J C. Numerical predictions of fluid flow and heattransfer in corrugatedchannels using timedependent andtime-independent flow models [J]. Journal of EnhancedHeat Transfer， 2004，11（4）：347-357.

[5]陶文銓.數值傳熱學[M].2版，西安：西安交通大學出版社，2001.

[6]Atkinson K N，Drakulic R，Heikal MR.Two and Three–dimensional numerical models offlow and heat transfer over louvered fin arrays in compact heat exchangers，Int J Heat MassTransfer 1998，41：4063-4080.