基于Icepak的IGBT模塊水冷散熱特性仿真分析

石建光，張永亮，吳文杰

（1.200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院；2.201815 上海市 上海鑫國動力科技有限公司）

0 引言

IGBT 模塊集成度越來越高，結構越來越緊湊，熱流密度也隨之變高，局部過高的熱流密度必然帶來大量發熱。根據相關研究，工作溫度增加10 ℃，電子元件失效率增大1 倍[1-2]，因此，溫度控制對IGBT 模塊使用壽命和可靠性都有非常重要的影響。

IGBT 散熱器主要的散熱形式分為風冷散熱和水冷散熱。風冷散熱器結構比較簡單，制作成本低，但是散熱效率不高。水冷散熱器因為散熱性能優良的特點使用越來越廣泛[3]。本文以某型號IGBT 水冷散熱器為研究對象，通過ANSYS Icepak 對不同肋片數目、厚度和結構形式的散熱器仿真，分析得到了肋片各參數對散熱性能影響規律，為后續散熱器的結構優化提供了參考。

1 IGBT 水冷散熱器傳熱分析

本文研究的某型號采用水冷散熱的電機控制器，控制器殼體底部裝配一個水冷板。水冷板上方裝有3 個IGBT 封裝模塊。水冷板采用的是肋片結構，控制器實體模型如圖1 所示。

圖1 控制器結構模型Fig.1 Controller structure model

熱傳遞主要存在3 種基本形式：熱傳導、熱輻射和熱對流[4]。如圖2 所示，IGBT 芯片通過導熱硅脂與基板貼緊，基板與散熱器相連，IGBT芯片產生的大量熱量依次通過導熱硅脂與基板傳輸到散熱器內部，期間熱輻射可以忽略不計。本文所研究的IGBT 模塊散熱器是通過強迫式水冷進行散熱，所以對流只考慮冷卻液的換熱，忽略空氣對流換熱[5]。

圖2 傳熱結構示意圖Fig.2 Heat transfer structure diagram

2 傳熱理論計算

2.1 IGBT 熱損耗計算

對于IGBT 模塊，主要考慮來自于IGBT 芯片的損耗。IGBT 熱損耗組成如圖3 所示。

圖3 IGBT 芯片損耗組成Fig.3 IGBT chip loss composition

通態損耗Pcond-IGBT計算如式（1）：

式中：VCEO——門檻電壓，也叫做初始導通電壓，；r——通態電阻；m——調制比；cosφ——功率因數。

開關損耗Psw-IGBT計算如式（2）：

式中：fsw-IGBT——IGBT 開關頻率；Eon，Eoff——IGBT 標定開關損耗；Vdc——直流母線電壓；in——實際電流；Inom，Vnom——標稱電流、電壓。

如圖3 所示的IGBT 芯片損耗圖和上述理論計算，可得IGBT 總損耗

2.2 熱阻模型

根據熱阻原理，可得熱阻等效電路，如圖4所示。根據圖4，由冷卻液溫度和IGBT 熱損耗，可以推出IGBT模塊的最高溫度TIGBT-max，如式（4）。

圖4 IGBT 熱阻等效電路圖Fig.4 IGBT thermal resistance equivalent circuit diagram

式中：Tj——IGBT 結溫；Ta——冷卻液溫度；Ts——散熱水冷板殼體溫度[6]。

3 熱仿真與影響因素分析

3.1 簡化模型與仿真

根據研究的電機控制器實際模型，將IGBT模塊水冷器單獨分離出來進行研究。為了減少不必需的仿真計算工作量，可以利用Workbench 中的SCDM 軟件將IGBT 散熱器中倒角、螺絲和空位等去掉，這些特征對散熱器散熱性能無影響，只保留散熱器的主體特征信息。這樣能夠在保證仿真結果準確的同時，做到盡可能簡化散熱器模型，減少網格的數量，加快計算速度。將散熱器簡化模型由有限元軟件Icepak 導入，對其劃分網格。根據資料計算出熱損耗值，忽略重力作用和輻射換熱。采用Icepak中liquid-water作為冷卻液，初始進水口溫度為25 ℃，設置為湍流，流量設置為固定15 L/min。

圖5 散熱器結構（正弦波紋肋片）簡化示意圖Fig.5 Simplified schematic diagram of radiator structure (sine wave rib)

3.2 肋片結構形式影響分析

本文研究的3 種肋片結構形式分別是平直形、正弦波紋形、三角波紋形。肋片結構形式如圖6 所示。

圖6 3 種不同肋片結構Fig.6 Three different rib structures

設置肋片厚度為2 mm，肋片數目為18 條，進水口溫度25 ℃，流速為15 L/min，除肋片的結構形式外，其他邊界條件均相同。分別對這3種肋片結構形式的幾何模型進行仿真，其溫度云圖分別如圖7—圖9 所示。

圖7 正弦波紋肋片溫度云圖Fig.7 Temperature nephogram of sinusoidal corrugated fin

圖8 三角波紋肋片溫度云圖Fig.8 Temperature nephogram of triangular corrugated fin

圖9 平直肋片溫度云圖Fig.9 Temperature nephogram of flat fin

通過仿真可以看到，在同等邊界條件下，正弦波紋肋片的散熱效果最好，三角波紋肋片次之，平直形肋片最差。原因是肋片在保證相同長度的前提下，波紋肋片的“褶皺”會增大對流換熱面積，而且會在肋片間產生細小渦旋，提高了紊流度，從而增強了散熱效果，而三角形波紋肋片面積增加比較小，但是對壓降影響小，制造比較容易，適合小流量散熱場景。

3.3 肋片數目的影響

由于控制器的空間約束，設置肋片數目從12～30 條進行仿真，肋片結構為正弦波紋肋片，肋片厚度設置為2 mm，進水口流量為15 L/min。得到的肋片間距與IGBT 最高溫度的數據見表1。表中數據顯示，當肋片數目增加時，IGBT 最高溫度隨之降低，原因是肋片數目減小，對流換熱面積隨之增大，從而提升了散熱性能。但是，過多的肋片數目會增大壓降，在進水口流量不變的情況下流速降低，反過來又會減弱散熱效果，因此增加肋片數目要在滿足壓降要求下進行。

表1 各肋片數目對應IGBT 最高溫度Tab.1 The number of fins corresponding to TIGBT-max

由表1 知，當肋片數目從12 增加到30 時，IGBT 最高溫度從52.66 ℃到50.25 ℃，散熱性能提升4.6%。分析是因為肋片數目增多，增大了對流換熱面積，對流換熱系數增大，從而提升了散熱性能。但肋片數目從24 到30 條，IGBT 最高溫度下降趨勢有所減弱，散熱性能只提高1%，但是壓降提升幅度很大，對水泵要求很高。因為過多的肋片數目會增大壓降，在進水口流量不變的情況下流速會降低，反過來又會減弱散熱效果，因此，增加肋片數目要在滿足壓降要求下進行。

3.4 肋片厚度影響

取肋片厚度1～2.5 m，肋片數目為18 條，肋片結構取正弦波紋形肋片，冷卻液溫度為25 ℃，其他仿真邊界條件相同。將幾何模型導入ANSYS Icepak 仿真得到表2 數據。

表2 不同肋片厚度對應的IGBT 最高溫度Tab.2 Different fin thickness corresponding to TIGBT-max

根據表2 仿真數據顯示，隨著肋片厚度的增加，TIGBT-max越來越小。這是因為增加肋片厚度后，IGBT 模塊和肋片之間的熱阻減小。此外，在肋片數目不變的情況下，通過增加肋片厚度，減小了肋片間距，冷卻液通道截面積減小，從而提高了肋片間冷卻液流速，提高了換熱性能。

4 結語

本文通過肋片結構形式、數目、厚度3 種因素對IGBT 散熱器冷卻性能進行探討，用ANSYS軟件建模進行數值模擬，得到了肋片結構形式、數目、厚度對IGBT 模塊最高溫度的作用規律，解決了IGBT 模塊高熱流密度散熱的問題，滿足了IGBT 模塊散熱性能要求，從而保證電機控制器的正常運轉，為后續的優化設計提供了參考。