IGBT散热器风冷散热优化设计与评估.docx

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1、igbt散热器风冷散热优化设计与评估作者：陈俊杰周雷秋雨豪来源：工业技术创新2020年第06期散热风扇图1变频器的风冷散热系统冷却空气用向IGBT电容表1不同负载率情况下热管最热温度及寿命小时数负载率泓环境温度rc热管最高温度尸C计算寿命/h实际.no4093638 2971004084.770 972804075.0139 023604065.8263 047104056,5501 178对于IGBT散热而言，按照对流传热的牛顿冷 却公式，散热器的总散热能力可以写为Q = aAft（1）其中，。为散热器的总散热能力（W） ； a为散 热器的总传热系数W/（m2 K）;为为散热器的有 效散热面

2、积（Hi?） ; &为IGBT散热器表面温度八 与散热翅片周围冷却空气温度七的差值（K）,即 At = ts-tfQ将式（1）变形为11/以）a Q其中，是当有效散热面积力/为单位面积时，散 热器的总热阻（K/W） o按照传热学理论，人是各 个串联传热环节中的热阻之和。对IGBT散热器而 言，其热阻人主要由3部分组成。R = R jc + Rch 4- Rca其中，R六为IGBT内部的结到管壳的热阻；R*为 管壳到散热器内表面的热阻；人如为散热器内表面 到环境的热阻。在这3个热阻中，R兀是由IGBT的 加工过程决定的，通常由IGBT生产厂家给定；心 要远远小于其他两个热阻，通常可以忽略不计；

3、人前占热阻的比重最大。所以，对IGBT工作结温的 影响分析主要聚焦于&如的改善上。正如的大小通常 与散热器材料的热导率、散热器的大小、散热翅片 的高度和厚度、散热翅片的数量、散热翅片的间距 等因素有关。图2 IGBT初始热仿真结果67 = 0.134 Re：L f0.681 pfl/3、0.2 z S0.1134Pr _ 品Ps 一厂；雷诺数 / p f(4)其中，普朗特数.max为冷却气体掠过散热器Re = Pf .gLvf翅片表面时的最大速度(m/s) ; 为冷却气体的 导热系数W/(m K); c”为冷却气体的定压比热 容J/(kgK); P/为冷却气体密度(kg/m3) ; vf 为冷

4、却气体动力粘度系数(kg/ms) ; 是几何参 数，表示散热器的特征尺寸(m) ; s为翅片间距(m) ; $为翅片厚度(m) o在本例中，由于变频器的外形尺寸已经固定， 散热器的长度和宽度无法更改，所以优先考虑通过 减小翅片间距、增加翅片数量的方式来增大IGBT效率/的表达式为散热器的换热面积。对普通散热器而言，翅片的肋(5)其中，肋参数席H为一个参数群。H为散热器基板上的翅片高度(m);与为散热器与周围冷却气流之间的传热系数W/(nr-K)；人为散热器材料的导热系数W/(mK)。散热器的有效散热面积.为(6)其中，力为散热器总的散热面积(K) O1.04O.0.0 0.00.51.01.5

5、2.02.5助参数图3肋效率幻与肋参数的依变关系曲线图4增大IGBT散热器换热面积的热仿真其中，Rigbt为从管壳传递到热管加热端内壁的导热热阻,iGBTA,其中3为热管加热端的壁厚（m）,人治为热管材料的导热系数W/（m K）,为热管加热端的内壁表面面积（n?）;p为加热端内的传热热阻，电=丁17，其中KgAzfnzf如为加热端内壁与工质之间的传热系数W/（m2-K）；鸟力为热管内饱和蒸汽的传热热阻（K/W）,对于等温传热而言，凡力很小，可以忽略不计;此为冷却端蒸汽与内壁之间的热阻（K/W）,其中4为热管冷却端的内壁表面面积（】奇），如为冷却端内壁与工质的传热系数W/ （m2 K）; Rw为

6、冷却端内壁到散热片基板之间的导$I热热阻（K/W）,尸=子丁，其中&为热管 冷却端的壁厚（m） , 2时为热管冷却端材料的导 热系数W/（m K）,刀*为热管冷却端的中径面积 （m2） ；为从散热翅片到冷却气流之间的传热热阻（K/W）,与二兀；。加嗣枷K图，热管结构图6在I场T散热器上增加热管的热仿真摘要：绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块功耗持续增加，对风冷散热提出了更高要求。 以某大型冷水机组变频器为研究对象，结合仿真模拟和试验测试，提出IGBT散热器优化方 案：一是将散热器翅片间距从3.0 mm减小到2.5 mm，增大换热面积;二是给每个IGBT模块增 加2根热管，突破肋效率带来的瓶颈问

7、题。优化后进行验证，IGBT的工作结温从149.9C降到 1272C，达到了 IGBT最高工作结温控制在130C以内的设计要求;同时对热管相容性和寿命进 行评估，表明热管工作介质不会对管壳材料造成腐蚀或者溶解，热管寿命可达到21万3 414 小时，能够保证变频器和IGBT模块的长期可靠运行。关键词：IGBT散热器;风冷散热;热管;肋效率;工作结温;相容性;可靠性中图分类号：TN305.94文献标识码：A文章编号：2095-8412 （2020）06-045-05工业技术创新 URL : http : / DOI : 10.14103/j.issn,2095-8412.2020.06.008引言

8、随着电子科学技术的发展，电子元器件的体积越来越小，功耗和散热成为瓶颈问题，使得 电子元器件本身和使用电子元器件设备的热流密度不断增大。据统计，电子产品发生故障的主 要原因就是冷却系统设计不良。因此，电子元器件的散热设计直接决定使用该电子元器件的设 备能否可靠工作、持久耐用。以绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)模块为例，对其进行的 失效机理研究表明：其各层材料的热膨胀系数在封装时往往不一致。在长时间高温工作环境 下，这种不一致性可能会导致铝键合线脱落甚至断裂、焊料层发生老化、栅极氧化层受到损坏 等，甚至使得整个芯片失效。因此，散热设

9、计对于IGBT模块来说也是尤为重要的。当前通用 电子设备散热方式包括空气自然对流、强迫空旬液体冷却、冷板/热管散热、相变冷却等，是 比较成熟的。在这几种散热方式中，空气自然对流方式的散热能力最差，仅适用于较小功率的 电子元器件，越来越难以满足目前电子元器件功率持续增加的需求1。目前最常用的散热途 径是对散热器的结构形式进行优化。目前试验分析法和仿真分析法是研究IGBT模块散热问题的两种主要方法。试验分析法一 般在实验室或者实际运行的机组上进行测试，得到可信度高的温升数据，但是无法直接测量芯 片内部及焊料等部位的温度。仿真分析法一般通过电气、热力学等理论建立数学模型进行计 算，其中热力学仿真主要

10、包括热阻抗网络、有限元、有限体积和模型降阶等方法2。在IGBT 模块散热设计工作中，通常根据需求采取试验分析法、仿真分析法中的一种，或者将二者相结笔者在对某大型冷水机组变频器进行设计过程中，对IGBT散热情况进行了仿真模拟，发 现常规的风冷散热无法满足IGBT的散热要求;提出了增大换热面积、增加热管个数这两个强化 散热的解决方案;经过仿真模拟，开展可靠性评估和寿命预测，验证了方案的可行性。1 IGBT散热问题描述某大型冷水机组变频器的风冷散热系统如图1所示。变频器采用5个风扇进行散热，风扇 从下侧吸风，风进入风道之后，先经过嵌在风道中的电容，再进入IGBT散热器进行冷却，最 后从上侧吹出。在变

11、频器设计开发阶段，笔者对IGBT的可靠性进行了评估。在环境温度为 40的条件下，对额定电流为950 A的标准变频器在110%负载、600 V母线电压、3 kHz载 频、90%风量时IGBT各处的温度进行了仿真模拟，结果如图2所示。从图2可以看出，IGBT 散热器经过风冷散热系统后，其各处温度中最高温度为1269C，据此可推算IGBT工作结温 已经达到149.9C，温度太高，几乎没有余量(IGBT工作结温最高允许值为150C)，无法满 足散热设计要求。通常来说，IGBT的最高工作结温最好控制在130C以内，以确保IGBT能够 长期稳定地工作。为了验证仿真模拟的结果，笔者还对变频器的散热进行了试验

12、验证。通过试验发现，在大 电流档位下，IGBT的散热达不到要求。变频器在满载条件下，会出现过温报警的问题。因 此，需要对IGBT的散热进行重新设计。设计初期，首选对风冷散热进行了改善，而没有考虑 水冷散热，这是因为水冷器泵循环系统较为复杂，而且需要二次风冷却系统，还易出现泄漏问 题，未能很好权衡研发成本、系统可靠性和市场需求等因素3。2 IGBT散热改善方案设计如同第1章所述，目前IGBT散热器采用的风冷却系统还达不到散热要求，故首先需要考 虑加大散热风扇的风量。此外，考虑到目前散热风扇的风速已经比较大，根据经验，风速达到 一定值后，散热效果不会随着风速的增大而大幅改善，只会造成风机功率变得更

13、大，成本增 加，得不偿失。而且，该变频器外形尺寸已经固定，没有足够的空间放置更多或者更大的风 扇。因此，笔者拟从以下两个方面来改进IGBT的散热效果。2.1增大IGBT散热器换热面积对于IGBT散热而言，按照对流传热的牛顿冷却公式，散热器的总散热能力可以写为其中，为散热器的总散热能力（W）;为散热器的总传热系数W/（m2.K）;为散热器的有 效散热面积（m2）;为IGBT散热器表面温度与散热翅片周围冷却空气温度的差值（K）,即。将式（1）变形为其中，是当有效散热面积为单位面积时，散热器的总热阻（K/W）。按照传热学理论，是 各个串联传热环节中的热阻之和。对IGBT散热器而言，其热阻主要由3部分

14、组成。其中，为IGBT内部的结到管壳的热阻;为管壳到散热器内表面的热阻;为散热器内表面到 环境的热阻。在这3个热阻中，是由IGBT的加工过程决定的，通常由IGBT生产厂家给定;要 远远小于其他两个热阻，通常可以忽略不计;占热阻的比重最大。所以，对IGBT工作结温的影 响分析主要聚焦于的改善上。的大小通常与散热器材料的热导率、散热器的大小、散热翅片的 高度和厚度、散热翅片的数量、散热翅片的间距等因素有关。通常来说，冷却气体横向掠过带翅片的散热器时，其传热系数与工作环境的诸多因素相关 联，对应的关联式已由有关相似实验中得到3,即其中，普朗特数;雷诺数。为冷却气体掠过散热器翅片表面时的最大速度（m/

15、s）;为冷却气 体的导热系数W/ （m.K）上为冷却气体的定压比热容J/ （kg.K）上为冷却气体密度（kg/m3）; 为冷却气体动力粘度系数（kg/m-s）;是几何参数，表示散热器的特征尺寸（m）;为翅片间距 （m）;为翅片厚度（m）。在本例中，由于变频器的外形尺寸已经固定，散热器的长度和宽度无法更改，所以优先考 虑通过减小翅片间距、增加翅片数量的方式来增大IGBT散热器的换热面积。对普通散热器而 言，翅片的肋效率的表达式为其中，肋参数为一个参数群。为散热器基板上的翅片高度（m）;为散热器与周围冷却气流 之间的传热系数W/（m2.K）上为散热器材料的导热系数W/（m.K）。散热器的有效散热面

16、积为其中，为散热器总的散热面积（m2）。肋效率与肋参数的依变关系曲线如图3所示，其是根据式（5）得到的。通过图3的曲线 可以看出，单纯靠增加翅片密度来获取更多的散热面积的做法是不可取的。增加了散热面积， 就增加了散热器和周围冷却空气之间的散热系数，导致肋效率降低，随之带来的是对散热面 积的抵消，最终导致有效散热面积减小4。所以，翅片间距存有一个最佳设计值。根据计算 得到的最佳翅片间距是2.5 mm。因此，在其他条件不变的情况下将散热器的翅片间距从3.0 mm减小到2.5 mm，然后再对 IGBT的散热进行热仿真模拟，结果如图4所示。从图4可以看出，IGBT散热器各处温度中最 高温度为1156C

17、，折算成IGBT工作结温为1386C。这一结温值虽然较之前有所降低，但是 仍然无法满足散热设计要求。从上面的分析可知，虽然通过缩小翅片间距可以增加实际翅片面积，但是有效散热面积会 随着肋效率的降低而减小，因此这种翅片类型的散热器存在某一个散热极限。故而，如果 IGBT发热量较大，单凭增加换热面积是无法满足散热需求的。2.2在IGBT散热器上增加热管为了进一步强化IGBT散热器的散热量，笔者采用热管对IGBT散热器进行散热。热管是 众所周知的最有效的高效传热元件之一，其结构如图5所示。热管是依靠封闭在管壳内部的介 质相变来实现传热的。热管两端分别是加热端和冷却端，加热端受热后介质会吸收热量，迅速

18、 汽化，在热管两端压强差的作用下，蒸汽会流向冷却端，并在冷却端释放出汽化时吸收的热 量。冷凝后的介质在毛细作用力下从冷却端回到加热端，并再次吸热汽化，如此循环，不断地 把热量从加热端带向冷却端，直到热管两端温度达到平衡一致5。在这样快速进行的循环 下，可以持续不断地把热量传导出去。采用热管技术对IGBT进行散热，IGBT内部产生的热 量绝大多数通过IGBT基板传给热管，再通过热管把热量传给散热翅片，使得散热器上所有翅 片的热流密度都不会有很大的差异。肋的设计结构可以显著提高肋效率，增大有效散热面积， 并且能够灵活布置，通过热管把热量带到更加适合散热的地方，使得散热器能够胜任高热流密 度电子元器

19、件在复杂恶劣工作环境下的散热6。增加热管之后，式（2）中的热阻发生了变化。IGBT散热器在散热过程中，热量首先由 IGBT传递到热管加热端内，然后在热管内加热、冷却，再传递到散热翅片的基板上，最后由 冷却气流带走。在这个传递过程中，总热阻R的表达式为其中，为从管壳传递到热管加热端内壁的导热热阻，其中为热管加热端的壁厚（m）为热管材料的导热系数W/ （mK），为热管加热端的内壁表面面积（m2）;为加热端内的传 热热阻，其中为加热端内壁与工质之间的传热系麴W/（m2.K）上为热管内饱和蒸汽的传热 热阻（K/W），对于等温传热而言，很小，可以忽略不计;为冷却端蒸汽与内壁之间的热阻 （K/W），其中为

20、热管冷却端的内壁表面面积（m2），为冷却端内壁与工质的传热系数W/ （m2K）上为冷却端内壁到散热片基板之间的导热热阻（K/W），其中为热管冷却端的壁厚 （m），为热管冷却端材料的导热系数W/ （mK），为热管冷却端的中径面积（m2）;为从散 热翅片到冷却气流之间的传热热阻（K/W），。根据变频器的实际使用条件，在每个IGBT模块下增加2根热管时，仿真模拟结果如图6 所示。从图6可以看出，IGBT散热器各处温度中最高温度1042C，据此可推算IGBT工作结 温为127.2C，满足结温低于130C的设计要求。此外，在最恶劣工况条件下对变频器的IGBT 开展了实际的温升测试，表明IGBT工作结温确

21、凿在130C以下，能够保证变频器长期可靠地 运行。3热管相容性及寿命预测热管相容性是衡量在预期的设计寿命周期内，管内的工作介质不会与壳体材料发生明显的 物理反应或化学变化，或虽然有点变化但不影响热管的工作性能的指标。长期相容性良好的热 管，不仅能够保证稳定的传热性能，还能延长自身的工作寿命。本文采用的烧结式热管内部采 用的工作介质是去离子水，不会产生不凝性气体。去离子水在150C下不会发生分解，而且去 离子水在150C下并不会与铜发生化学反应，所以不会对管壳材料造成腐蚀或者溶解7。所 以，本文使用烧结式热管属于相容性比较好的应用场景。从业界对热管的研究来看，目前热管的寿命只与工作温度相关，热管

22、的加速寿命试验条件 是以180C、96 h作为基准的，遵循工作温度每降低10C，热管的寿命延长1倍的准则。假设 变频器运行典型工况如表1所示，在最高环境温度40C下，负载率为110%的工况占所有工作 时间的1%，负载率为100%的工况占所有工作时间的10%，负载率为80%的工况占所有工作 时间的40%，负载率为60%的工况占所有工作时间的40%，负载率为10%的工况占所有工作 时间的9%。通过计算，把所有不同工况下实际寿命相加，即得到热管的寿命约等于213 414 h。以水冷机组年平均运行6 000 h的工作时间预估，该热管的使用寿命长达35.5年，完全满 足机组的寿命设计要求。4结束语本文结

23、合仿真模拟和试验测试，聚焦于标准散热器不能满足IGBT散热要求的问题，通过 散热器结构形式优化，以及在散热器上增加热管的方案，使IGBT工作结温有效控制在设计要 求范围内，通过了变频器的温升测试。同时，本文还对散热器中使用的热管寿命进行了预测，表明变频器能够长期可靠运行。该研究成果对igbt散热器设计，以及热管在散热器中的应用 具有一定的指导作用。参考文献1 唐强.IGBT元件热管冷却传热性能的实验与数值研究D.兰州：兰州交通大学，2013.2 徐鹏程，陶汉中，张红.IGBT热管式整体翅片散热器优化分析J.制冷学报，2014， 35（5）： 101-104.3 丁杰，张平.地铁车辆牵引逆变器热

24、管散热器的温升试验及热仿真J.中国铁道科学， 2016， 37（3）： 95-100.4 樊小朝，史瑞静.热管散热器在电力电子器件中的应用J.山东电力高等专科学校学 报，2010，13（2）： 46-485 崔燕.热管技术在采暖散热器上的应用研究J.科技创新导报，2015 （3）： 96, 98.6 潘阳.热管在电子器件热控制中的应用J.电子机械工程，1995 （4）： 23-32.7 曲伟，王焕光.高温及超高温热管的相容性和传热性能J.化工学报，2011, 62 （S1）： 77-81.作者简介：陈俊杰（1986-），通信作者，男，汉族，硕士，工程师。研究方向：空调产品可靠性。E-mail : junjie.chen周雷（1978），男，汉族，本科，工程师。研究方向：空调产品可靠性。秋雨豪（1976），男，汉族，博士，工程师。研究方向：空调产品可靠性。（收稿日期:2020-10-14）