功率MOSFET温度场数值模拟研究

封 雷，朱端银

(西安石油大学，陕西 西安 710065)

电机逆变器在电动汽车应用中，功率模块的可靠性与性能对电机逆变器性能具有重大影响[1-2]。实现逆变的功率器件有绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipola Transistor)IGBT和金属氧化物半导体场效应管MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)，电机逆变器的核心功率器件热处理直接影响MOSFET使用的数量及整机安全性[3]。为了提高Mosfet使用效率及使用安全性，对功率Mosfet进行有限元数值模拟热分析并优化设计散热方案[4]，可在样机制作前就能判断设计是否能满足产品的热可靠性，更能将功率MOSFET发热分布更加可视化，直观的描述出热分布、热传递情况，于传统意义上的实验相比更加低碳及节省经费。

1 建模与设置

根据物体表面真实流动特性与冷却系统工程实际，对实物外形进行结构简化，建立计算相关物理模型，本文研究涉及绕流流场的数值模拟[5-6]。

1.1 几何建模

图1 MOSFET几何模型图

驱动板散热结构MOSFET几何模型如图1所示。MOSFET尺寸为10×10×3.5 mm，水道截面积12×3 mm，水包尺寸为114×65×10 mm。水道均匀分布。

1.2 求解器设置

模型求解使用Realizable k-e湍流方程，Scalable Wall Function处理壁面，Coupled算法求解。边界条件设置：入口流量6 L/min，每个孔流量均为2 L/min，入口温度65℃。

2 计算结果及分析

2.1 水道截面尺寸对散热的影响

不同截面水道对散热的影响的计算得到的稳态温度分布，如图2所示。水道截面的中心线位置不变，只改变水道截面的宽度和高度，不同水道截面的计算结果如表1所示。

表1 不同截面的计算结果数据表

图2 水道截面稳态温度分布图

水道截面高度越小，MOSFET管最高温度越小，但压力损失增大；水道截面高度为3 mm时，水道宽度的减小只会令压力损失变大，而MOSFET管最高温度几乎不变；高度越小，MOSFET管最高温度越小，但压力损失增大；水道宽度的减小在令压力损失变大的同时，MOSFET管最高温度也会变小。

2.2 水道数量对散热的影响

水道数量对散热的影响的计算得到的稳态温度分布，如图3所示。不同水道数量的计算结果如表2所示。

图3 水道数量稳态温度分布图

表2 水道数量对散热的影响

水道数量增多，MOSFET管最高温度会先减小，然后随水道数量增多而增大，但压力损失会一直减小。但对水道高度3 mm来说，温度变化不大。

3 结论

MOSFET管温度对水道截面的高度比较敏感，水道截面的宽度对MOSFET管的温度影响不大，水道截面积越小，压力损失越大。水道数量增多，MOSFET管最高温度会先减小，然后随水道数量增多而增大，但压力损失会一直减小。

综合水道截面，水道数量分析对比，最终选定水道截面12 mm×3 mm，水道数量3个的散热结构。