基于流体计算的求解水冷散热器热阻抗的方法

姬 凯，康 乐，吴 丹，陈叔衡，2

（1.中船重工武汉船用电力推进装置研究所，湖北 武汉 430064；2.舰船综合电力技术国防科技重点实验室，湖北 武汉 430064）

1 引言

随着半导体技术的飞速发展，高压大电流IGBT逐渐成为现代电力电子设备的核心器件。通常情况下，IGBT工作在非理想的开关状态，因此存在着导通和开关损耗。在大容量电力电子设备中，这些损耗往往都很大，其结果将导致器件的温升很严重，当器件管芯的温度升高到100℃以上时，将严重影响器件的正常工作，甚至永久性损坏，因此器件的散热问题就显得尤为重要。为了提高功率密度，在使用IGBT模块时通常采用水冷的方式，在实际中往往都是根据设备的结构、强度以及IGBT模块安装的要求来设计水冷散热器。由于没有统一的标准，散热器的热阻以及热抗的值往往不得而知，这就给计算IGBT模块的结温带来了很大困难。

2 热阻热抗的计算方法

根据物体温度与时间的关系，传热过程可分为稳态过程（又称定常过程）和非稳态过程（又称非定常过程）。对稳态过程而言，其热阻定义为：

其中：T-T0为温升，单位K；P为功耗，单位W。

对非稳态过程而言，其热抗定义为：

其中：T（t）-T（t0）为 t时刻的温升。

当t→∞时，传热过程达到稳态，Zt（t）→Rt。

大功率水冷散热器通常采用由内部带水路的铜基板组成，其热阻和热抗由铜基板的结构和流过水路的水流量决定。由于铜基板与冷却水之间存在着复杂的湍流换热过程，其本质上是一个涉及到流体流动、流固热交换以及固体热传导等方面的流体力学问题，因此要比较准确地计算出散热器的热阻和热抗，可以采用计算流体力学（Computing Fluid Dynamics）的方法进行求解［1］。其步骤如下:

①利用Gambit对水冷散热器进行物理建模，定义模型中的固体区域与流体区域，并定义固体与流体热交换的区域；

②定义散热器的热生成区域；

③定义流体的边界条件；

④利用Gambit对计算区域进行网格划分，并保存生成的网格文件；

⑤通过Fluent读取保存的网格文件，设置流体与固体的材料属性、边界条件、热通量等计算必须的参数；

⑥选取非定常计算模式，设定时间步长与时间，开始计算，并保存每步的计算结果；

⑦根据计算结果计算每个时刻散热器的温度T（t），依式（2）计算散热器的热抗［2］-［5］。

3 热阻热抗的计算实例

以常用的IGBT封装模式IHM130*140为例，如果安装在130mm×140mm的水冷散热器上，散热器材料为铜，厚度12mm，内有一条直径8mm的水路［6］。

利用Gambit建立计算模型，定义流体边界为速度进口、流量出口，固体边界条件为热通量边界，并划分网格，网格图如图1所示。

图1 散热器计算网格图

在Fluent中倒入网格文件，设定固体材料属性为copper，流体为water-liquid，速度进口为V=1.0m/s，散热器IGBT安装面热通量为40000W/m2，初温T0=300K。采用非定常计算模式，时间步长为1s，共计算300步。其计算结果如图2-6所示。

按同样的方法，在相同的边界条件下，分别计算冷却水流速 V=0.5m/s、V=1.0m/s、V=2.0m/s时散热器的温度随时间的变化关系，根据式（2）计算对应的热阻和热抗值，绘制成曲线，如图7所示。

图2 t=1s散热器温度分布图，Tmax=302K

图3 t=10s散热器温度分布图，Tmax=310K

图4 t=50s散热器温度分布图，Tmax=336K

图5 t=100s散热器温度分布图，Tmax=351K

图6 t=200s散热器温度分布图，Tmax=360K

当t到达100s后，传热过程基本达到稳态，对应的热阻分别为 0.1126K/W（V=0.5m/s）、0.0838 K/W（V=1.0m/s）、0.0577 K/W（V=2.0m/s）。

根据图7的热抗曲线，再结合IGBT器件本身的热抗曲线，根据公式：

可以方便地计算出不同冷却水流量下稳态和动态的结温。

图7 散热器热抗曲线

4 结论

利用Gambit和Fluent提供的强大的流体传热计算功能，采用非定常三维仿真计算方法，可以方便地计算出不同几何形状、不同散热介质、不同散热条件下的散热器热阻和热抗，根据计算出的散热器热阻和热抗值就可以比较准确地计算稳态以及过载、故障等动态情况下IGBT模块管芯的结温，从而保证器件可靠安全工作。

［1］Fluent 6.2 Tutorial Guide，Fluent Inc.

［2］Advance Thermal Modeling，Fluent Inc.

［3］Gambit 2.3 User Guide，Fluent Inc.

［4］Gambit 2.3 Tutorial Guide，Fluent Inc.

［5］Fluent 6.2 User Guide，Fluent Inc.

［6］Power Electronic Device Application Manual，Semikro.