功率MOSFET溫度場數(shù)值模擬研究

封 雷，朱端銀

(西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065)

電機(jī)逆變器在電動汽車應(yīng)用中，功率模塊的可靠性與性能對電機(jī)逆變器性能具有重大影響[1-2]。實(shí)現(xiàn)逆變的功率器件有絕緣柵雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipola Transistor)IGBT和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)，電機(jī)逆變器的核心功率器件熱處理直接影響MOSFET使用的數(shù)量及整機(jī)安全性[3]。為了提高M(jìn)osfet使用效率及使用安全性，對功率Mosfet進(jìn)行有限元數(shù)值模擬熱分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)散熱方案[4]，可在樣機(jī)制作前就能判斷設(shè)計(jì)是否能滿足產(chǎn)品的熱可靠性，更能將功率MOSFET發(fā)熱分布更加可視化，直觀的描述出熱分布、熱傳遞情況，于傳統(tǒng)意義上的實(shí)驗(yàn)相比更加低碳及節(jié)省經(jīng)費(fèi)。

1 建模與設(shè)置

根據(jù)物體表面真實(shí)流動特性與冷卻系統(tǒng)工程實(shí)際，對實(shí)物外形進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，建立計(jì)算相關(guān)物理模型，本文研究涉及繞流流場的數(shù)值模擬[5-6]。

1.1 幾何建模

圖1 MOSFET幾何模型圖

驅(qū)動板散熱結(jié)構(gòu)MOSFET幾何模型如圖1所示。MOSFET尺寸為10×10×3.5 mm，水道截面積12×3 mm，水包尺寸為114×65×10 mm。水道均勻分布。

1.2 求解器設(shè)置

模型求解使用Realizable k-e湍流方程，Scalable Wall Function處理壁面，Coupled算法求解。邊界條件設(shè)置：入口流量6 L/min，每個(gè)孔流量均為2 L/min，入口溫度65℃。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 水道截面尺寸對散熱的影響

不同截面水道對散熱的影響的計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)溫度分布，如圖2所示。水道截面的中心線位置不變，只改變水道截面的寬度和高度，不同水道截面的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同截面的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)表

圖2 水道截面穩(wěn)態(tài)溫度分布圖

水道截面高度越小，MOSFET管最高溫度越小，但壓力損失增大；水道截面高度為3 mm時(shí)，水道寬度的減小只會令壓力損失變大，而MOSFET管最高溫度幾乎不變；高度越小，MOSFET管最高溫度越小，但壓力損失增大；水道寬度的減小在令壓力損失變大的同時(shí)，MOSFET管最高溫度也會變小。

2.2 水道數(shù)量對散熱的影響

水道數(shù)量對散熱的影響的計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)溫度分布，如圖3所示。不同水道數(shù)量的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖3 水道數(shù)量穩(wěn)態(tài)溫度分布圖

表2 水道數(shù)量對散熱的影響

水道數(shù)量增多，MOSFET管最高溫度會先減小，然后隨水道數(shù)量增多而增大，但壓力損失會一直減小。但對水道高度3 mm來說，溫度變化不大。

3 結(jié)論

MOSFET管溫度對水道截面的高度比較敏感，水道截面的寬度對MOSFET管的溫度影響不大，水道截面積越小，壓力損失越大。水道數(shù)量增多，MOSFET管最高溫度會先減小，然后隨水道數(shù)量增多而增大，但壓力損失會一直減小。

綜合水道截面，水道數(shù)量分析對比，最終選定水道截面12 mm×3 mm，水道數(shù)量3個(gè)的散熱結(jié)構(gòu)。