IGBT用水冷板式散热器的数值模拟

杨雄鹏，张 磊，曹 伦，陈若奇

(1. 西安交通大学， 陕西 西安 710049； 2. 特变电工西安电气科技有限公司， 陕西 西安 710065；3. 特变电工新疆新能源股份有限公司， 新疆 乌鲁木齐 830011)

IGBT用水冷板式散热器的数值模拟

杨雄鹏1，2，3，张 磊2，3，曹 伦2，3，陈若奇2，3

(1. 西安交通大学， 陕西 西安 710049； 2. 特变电工西安电气科技有限公司， 陕西 西安 710065；3. 特变电工新疆新能源股份有限公司， 新疆 乌鲁木齐 830011)

在电力电子设备功率密度日益增长的背景下，散热设计成为产品可靠性设计的关键瓶颈。文中以冷板式强迫液体冷却系统的数值模拟为例，介绍了冷板式强迫冷却系统的优势以及该系统数值分析的原理和计算方法。对具体IGBT模块进行的散热仿真模拟验证表明，水冷系统具有集成度高、模块化强、散热效率高、能耗低、噪声低、占地空间小等众多优势，可以很好地控制高功率模块中IGBT芯片的温度，有利于IGBT模块等器件长期安全可靠稳定地工作，可降低模块的故障率，提高整机产品的可靠性。

冷板；液体冷却；数值模拟

引 言

在电力电子产品朝小型化方向发展的趋势下，设备的热功率密度越来越大，散热问题成为非常棘手的问题。功率器件(如IGBT功率模块)在运行过程中产生的大量的热如果得不到及时有效的排除，其内部集成的功率器件管芯就会发热，使结温升高，进而使器件失效甚至被烧毁。所以功率器件的散热设计将成为制约电力电子设备小型化发展的核心和关键技术[1]。

水的比热容是空气的4倍，在同样温升和质量流量的情况下，水吸收的热量是空气的4倍，因而水能够吸收大量的热量而温度不会发生明显的变化。而水冷系统集成度高，模块化强，散热效率高，能耗低，噪声低，占地空间小。本文引入液冷技术，不仅能使高功率模块中IGBT芯片的温度得到很好的控制，还能使功率模块内IGBT芯片的温度在极限工况下不会发生大的变化，有利于IGBT模块等器件长期安全可靠稳定地工作，还能进一步降低模块的故障率，提高整机产品的可靠性。

1 模型的建立和仿真过程

1.1 系统原理

该系统是最经济的水冷系统，采用空气换热器冷板冷却，其主要组成模块包括水冷板、循环液(纯水+乙二醇)、水泵、管道和水箱或气冷换热器和风机。其原理如图1所示：在水泵的动力下，冷水流经U型水槽的冷板，将IGBT模块的热量吸收，被加热的纯水流出冷板后，进入空气换热器释放水载的热量，进而将加热的水冷却，再在水泵的动力下二次流入水冷板的入口，如此反复循环。是否采用水箱则取决于实际热耗情况。

图1 水冷散热系统原理示意图

1.2 数学模型和计算方法

Flotherm仿真软件是一款强大的应用于电子元器件以及系统热设计的三维CFD(Computational Fluid Dynamics)软件。CFD的基本思想是用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

水冷系统问题属于不可压缩、常物性、无内热源的三维对流传热问题[2]，结合传热学和流体动力学基本理论，得出描述该问题的微分方程组[3]：

1) 质量守恒方程

(1)

2) 动量守恒方程

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程

(5)

式中:u、v、w是速度矢量V在直角坐标系x、y、z方向上的3个分量；μ为流体的粘性系数；τ为单位体积内热源形成的时间；ρ为微元体的密度；T为热力学温度；p为流体微团所在处的静压力；Fx、Fy、Fz是体积力在x、y、z方向上的分量；λ为流体的导热系数；cp为流体的定压比热容。

动量守恒方程式(即Navier-Stokes方程)和质量守恒方程式(又称连续性方程)是描写粘性流体流动过程的控制方程，都适用于不可压缩粘性流体的层流及湍流流动。

2 数值计算及模拟分析

2.1 数值计算

水冷板初始条件为：IGBT模块热耗为31 200 W, IGBT芯片的结壳热阻Rjc= 0.019 5 K/W, IGBT模块的壳到散热器的热阻Rch= 0.004 2 K/W；进口水温为35 ℃；水管通流截面为120 mm × 150 mm的矩形，共12条，通流长度为369 mm；冷却水以0.15 L/s的流量流经内径为13.4mm的管道；冷水质量流量为0.15 g/s。而其隐形初始条件为：冷却水比热为4 200 J/(kg·K), 水的动力粘度为8 × 10-7m2/s，水的导热系数λ=0.6W/(m·K)，水的普朗特数Pr=5.4。

数值热力推算IGBT壳温为

T= Δt1+Δt2+ Δt3

(6)

式中：Δt1为冷板基座温度；Δt2为冷板基座温差；Δt3为冷板基壳到IGBT壳的温差。

冷头内换热总面积为

S2=NS=2.4 × 10-1m2

(7)

式中，N和S分别代表水槽的数量和单个水槽的内换热总面积。

冷却水温升为

(8)

式中：φ代表水冷板总的热损耗；q代表水的热容；m代表水的质量。

2.2 模拟分析

通过Flotherm软件进行数值模拟，在55 ℃环境温度、3 000 m海拔工况下，IGBT散热采用冷板强迫液体冷却系统设计。在入水口温度为35 ℃、质量流量为0.15 kg/s的条件下，冷却水温上升1.46 ℃，IGBT按照均匀体积热源处理，最后的壳温为46.5 ℃。

如图2～图6所示，水冷板系统温度场、压力场、速度场均已收敛平衡，可确保仿真结果。

图2 矢量收敛曲线

图3 温度平衡曲线

图4 IGBT模块温度场云图

图5 水流速度场云图

图6 冷板整体温度、水流云图

3 结束语

在电力电子产品朝小型化方向发展的趋势下，设备热功率密度越来越大。水冷系统有集成度高、模块化强、散热效率高、能耗低、噪声低、占地空间小等优势。采用液冷技术，既可以使高功率模块中IGBT芯片的温度得到很好的控制，也能使功率模块内IGBT芯片温度在极限工况下不会发生大幅度的变化，有利于IGBT模块等器件长期安全可靠稳定地工作，还能进一步降低模块的故障率，提高整机产品的可靠性。

[1] 卢申林．电子产品的散热设计[J]．可靠性分析与研究，2004(12)：46-48.

[2] 杨世铭，陶文铨．传热学[M]．北京：高等教育出版社，2006．

[3] 国防科学技术工业委员会. GJB-Z 27—1992 电子设备可靠性热设计手册[S]．北京：国防科学技术工业委员会军标出版发行部，1992.

杨雄鹏(1983-)，男，硕士研究生，主要从事流动和传热研究。

Numerical Simulation of Forced Liquid Cooling System with Cold Plate for IGBT

YANG Xiong-peng1,2,3，ZHANG Lei2,3，CAO Lun2,3，CHEN Ruo-qi2,3

(1.Xi′anJiaotongUniversity，Xi′an710049,China；2.TBEAXi′anElectricTechnologyCo.Ltd.,Xi′an710065,China;3.TBEASunoasisCo.Ltd.,Urumchi830011,China)

With the increase of the power density in power electronic equipment, heat dissipation design has become a key bottleneck in reliability design of the product. In this paper, with the numerical simulation of the forced liquid cooling system with cold plate as an example, the advantages of forced cooling system with cold plate, the principles and calculation method of its numerical analysis are introduced. The verification based on the specific thermal simulation of IGBT modules shows that the water cooling system enjoys the advantages such as high integration, high modularization, high heat dissipation efficiency, low energy consumption, low noise, low space requirement and so on. It can control the temperature of high-power IGBT modules well, and thus makes it sure that devices such as IGBT module can work with safety, reliability, stability, the low module failure rate and high overall reliability of the product.

cold plate; liquid cooling; numerical simulation

2013-11-14

国家863基金资助项目(2011AA05A305)

TK414.2+12;TP391.9

A

1008-5300(2014)02-0043-03