淺述一種直接水冷IGBT模塊的散熱仿真

王曉麗?于凱?黃小娟

摘 要 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊散熱性能的好壞是影響IGBT模塊可靠性的一個重要因素，本文設計了一種直接水冷散熱結構的IGBT模塊，應用Ansys軟件對該結構進行散熱仿真，并與英飛凌同類結構的散熱仿真結果做對比，對比結果表明文中結構的散熱分布更均勻，更有利于模塊的均流特性。

關鍵詞 IGBT;結構;散熱仿真

近年來隨著人們對電力電子裝置要求的日漸提高，電子設備及系統正向小型化、多功能方向發展，IGBT 模塊也正在向小尺寸、大功率的方向發展。隨之而來的是模塊內所產生的高熱流密度帶來的散熱問題，該問題是制約IGBT模塊可靠性的重要因素之一，當IGBT工作溫度超出限制范圍時，元器件的性能及穩定性下降，進而影響系統的可靠性，這就迫使人們對傳統的熱設計技術進行進一步的研究，探索適應這一新趨勢的有效散熱措施。而當采用了一項新型熱設計技術時，產品的身價也隨之增加。因此， IGBT模塊散熱系統的設計對模塊的性能和價值有重要影響[1-2]。

隨著計算機輔助設計軟件的發展，有限元分析軟件在模塊結構設計中占舉足輕重的地位，該軟件可以對影響熱分布的諸多因素 （部件幾何尺寸、分布狀態、導熱材料的傳輸系數、周圍環境等）進行模擬，計算結果通過圖形化顯示直觀的溫度場分布，可以高效、高速地應用在精度要求不是很苛刻的產品的熱設計中[3]。本文通過Ansys軟件對所設計結構的IGBT模塊進行散熱仿真，并與英飛凌同類結構模塊的散熱仿真結果進行對比，來驗證所設計結構的必要性。

1散熱仿真

1.1 結構設計

本文所設計的IGBT模塊及其散熱器結構關鍵項點主要包含：

（1）模塊底板自帶pin-fin，自帶的pin-fin為上窄下寬結構，該結構能有效增加底板的散熱面積，同時降低pin-fin對冷卻液的阻流能力;

（2）模塊水槽的導流溝道，有利于水槽中水流的均勻性，使得模塊工作時各芯片熱分布更均勻，能有效抑制由熱分布不均引起的芯片損壞。

1.2 散熱仿真

（1）結構建模

在不影響仿真結果的前提下，同時為便于網格劃分，本文對模塊模型中的子單元、焊料、帶pin-fin的底板、散熱水槽及冷卻液進行簡化處理，如圖1所示：

（2）邊界條件設置

每個熱源功耗為100W，總功耗為900W，冷卻液設為水，入口水流速度設為0.2m/s，入口水溫設為0℃，出口壓力設為0N/m2， 模塊周圍溫度為20℃。

（3）仿真結果

對比兩種結構在相同條件下的熱分布情況，散熱仿真結果如圖2、圖3所示，由圖可以看出文中結構的最高溫度為54.09℃，英飛凌結構最高溫度為64.57℃。水流速度分布圖如圖4、圖5所示，文中結構水槽中的最大水流速度為0.26m/s，英飛凌結構的最大水流速度為0.3m/s，且文中結構的水流更均勻。

1.3 不同入水口水流速度的仿真對比

保持其他邊界條件不變，分別將入水口的水流速度設為0.1m/s，0.2m/s，0.3m/s，0.4m/s，0.5m/s，0.7m/s。

由圖6出在保持其他邊界條件不變的情況下，當增加水流速度時，模塊的最高溫度與模塊子單元之間的溫差值降低。

2結果分析

由溫度圖可以看出，兩種結構模塊的溫度分布基本保持一致，水平方向上靠近入水口一側的散熱效果要低于出水口一側的散熱效果，垂直方向上靠近入水口一側的散熱更好。分析原因是，水平方向上，入口側的垂直流速比出口側的垂直流速小，所以靠近入口方向的散熱差;垂直方向上，因為靠近入水口的水溫低，因此帶走的熱量大，水越往下流，水溫越高，散熱能力越差，因此垂直方向上離入水口越遠，散熱能力越差。

不同點是：①相同條件下，新設計的散熱結構最高溫度為54℃，比英飛凌同類結構模塊的最高溫度低10℃，子單元之間的最高溫差為14℃，比英飛凌模塊的最高溫差低8℃，熱分布均勻性優于英飛凌模塊。分析原因：由圖7圖8可以看出文中結構散熱水槽中水流更均勻，導致文中結構的最高溫度低于英飛凌模塊的最高溫度，且熱分布更均勻。②與英飛凌同類結構相比文中設計的結構靠近出水口側的溫度較高。分析原因：本文設計結構中水槽中的水流速分布更均勻，而英飛凌模塊水槽中靠近出水口一側的水流速比入水口一側的水流速大，使得英飛凌模塊靠近出水口側的溫度低于文中結構相同部位的溫度。

3結束語

本文通過Ansys仿真軟件對文中結構與英飛凌同類結構的散熱性能進行仿真對比，通過對比結果得出本文設計的這種散熱結構使得模塊的熱分布更均勻，有利于模塊的均流特性，同時對不同水流速度的散熱性能進行仿真，仿真結果表明，在實際工況允許的條件下，可以通過提高水流速度來提高結構的散熱能力。

參考文獻

[1] 孫薇，劉鈞，蘇偉，等.直接冷卻IGBT 功率模塊散熱性能研究[J].電工電能新技術，2014，（4）：21-25.

[2] 劉慶龍，丁炬明，貢俊，等.黃蘇融基于ANSYS的逆變器冷卻結構熱仿真與設計優化[C].第十七屆中國電動車輛學術年會.第十七屆中國電動車輛學術年會論文集.北京：中國電工技術學會，2014：114-118.

[3] 張健，呂長志，張小玲，等.基于ANSYS的IGBT熱模擬與分析[J].北京工業大學，2011，41（1）：139-142.

作者簡介

王曉麗，女，工程師，現就職單位：西安中車永電電氣有限公司，研究方向：IGBT模塊封裝測試。

于凱，男，高級工程師，現就職單位：西安中車永電電氣有限公司，研究方向：IGBT模塊封裝測試。

黃小娟，女，工程師，現就職單位：西安中車永電電氣有限公司，研究方向：IGBT模塊封裝測試。