电力电子功率器件用风冷散热器换热技术研究

2021-07-25孙元邦韦志宇孔丽君

机电工程技术 2021年6期

孙元邦，李峰，韦志宇，孔丽君，王博

（中车大连机车研究所有限公司，辽宁大连 116021）

0 引言

随着电力电子科学技术的科学发展，电力电子功率器件的应用更加广泛，而决定电子器件使用寿命和性能的，一是器件本身的性能，二是电子器件的工作温度，即用于电子器件散热的散热器的换热能力[1]。目前，在热流密度小于4 W/cm2的电力电子设备中，多数采用风冷式冷却系统，例如电力机车、内燃机车辅助逆变器等用电设备的冷却系统中的散热器采用的是风冷散热器。张梁娟等[2]利用FloTHERM对风冷模块进行热仿真，并用试验测试结果验证了仿真结果的可靠性，同时测试类多种冷板的散热性能。杨景珊[3]选取3种典型的风冷散热器（即平直肋片散热器、填充泡沫金属的矩形通道散热器以及放射状肋片散热器）为研究对象，利用CFD软件对散热器的换热能力进行强化，并对流动与传热综合性能进行优化。王长昌等[4]应用散热仿真软件FLoTHERM对风冷散热器散热性能进行了仿真计算，并结合试验数据进行了对比分析，研究了冷却风速、齿片密度和高度等参数对风冷散热器散热性能的影响。邵强等[5]以矩形翅片式散热器为例简要分析了强迫风冷散热所需的参考风量；基于散热器结构形式和流体力学原理，推导出散热风道的风阻估算公式；结合对风机P－Q特性曲线的简要分析，快速得出风机实际的工作点和通风风量。潘舒洁[6]选择风冷散热器来进行研究，简单阐明了散热设计中的散热计算、散热器选择、风冷散热计算和风扇选择等步骤，完成简单的风冷散热器设计。刘巍等[7]应用ICEPAK热仿真软件，对散热器的2种减重设计方法（增大翅片间距和减小翅片高度）进行了对比分析。本文分别对型材、铲齿和板翅式风冷散热器的结构、散热性能进行介绍。

1 风冷散热器结构

1.1 常用的风冷散热器

常见的风冷散热器是由金属加工成形，并由冷却空气流过散热器而把电子器件的热量散发到大气环境中的一种散热器。在常见的金属材料中，银的导热系数最高为420 W/m·K，但它的成本昂贵；铜的导热系数为383 W/m·K，比较接近银的水平，但加工工艺复杂、成本高而且重量比较重；6063铝合金的导热系数为201 W/m·K，价格低廉、加工特性好、表面容易处理，性价比较高，因此目前主流风冷散热器的材料一般都会选用此铝合金。图1所示为两种常见的风冷散热器。常用的风冷散热器的加工方法主要有以下几种：（1）铝合金拉制成型，单位体积的传热面积可达到300 m2/m3左右，冷却方式为自然冷却和强迫通风冷却；（2）散热片与基板镶嵌一体，可采用铆合、环氧树脂粘接、钎焊焊接、锡焊焊接等工艺方法把散热翅片和基板连接起来，另外基板的材质也可以为铜合金，单位体积的传热面积可达到500 m2/m3左右，冷却方式为自然冷却和强迫通风冷却；（3）铲齿成型，此种散热器可消除散热片与基板的热阻，散热片的间距可小于1.0 mm，单位体积的传热面积可达到2 500 m2/m3左右，加工方法如图2所示，冷却方式为强迫通风冷却。

图1 常用的风冷散热器

图2 铲齿式风冷散热器加工方法

1.2 板翅式风冷散热器

板翅式风冷散热器是由多个零部件经钎焊加工而成的一种风冷散热器，其主要由散热片、肋板和基板等3个部件组成，其结构如图3所示，散热片可采用平片、波纹片、错口翅片等结构。考虑到肋板的焊接工艺，肋板、散热片和基座等多选择3系列铝材，保证板翅式风冷散热器的可焊接性。板翅式风冷散热器单位体积的传热面积可达到650 m2/m3左右，冷却方式为自然冷却和强迫通风冷却。

图3 板翅式风冷散热器

2 各种风冷散热器热性能

2.1 常用的型材风冷散热器

2.1.1 自然散热

常用的风冷散热器主要以自然冷却的方式对电子器件进行冷却，其散热性能主要取决于散热翅片厚度、翅片间距、翅片高度和沿冷却空气流动方向的散热翅片长度等。自然散热，那有效散热面积当然越大越好，最直接的办法就是减少翅片间距、增加翅片数量，但翅片的间隙小到一定程度会影响自然对流的边界层，相邻翅片板壁的边界层一旦汇合，那翅片之间的空气流速就急剧下降，散热效果也急剧下降。通过对风冷散热器热性能仿真计算和试验检测，当散热翅片长度为100 mm、热流密度为0.1 W/cm2的条件下，不同翅片间距的散热效果如图4所示，最佳片距为8.0 mm左右。若散热翅片长度增加时，最佳翅片间距将变大[8]。

图4 基板温度与翅片间距的关系曲线

2.1.2 强迫对流散热

波纹风冷散热器结构参数为翅高98 mm、翅片长度400 mm、翅片厚度4 mm、翅片间距4 mm、冷却空气迎面流速8 m/s，热流密度2.38 W/cm2的波纹风冷散热器进行温升试验。试验结果得散热器温升45 K，冷却空气压力损失为110 Pa，单位体积散热量为245 kW/m3。另外，功率元件安装面的均匀性较差，其温差达到10℃左右，目前针对这个问题，通常在风冷散热器安装面上埋设铜热管，可以使功率元件安装面的均温性在热管铺设方向上得到明显改善，垂直方向上效果不明显，若在基板中采用均热板技术，功率元件安装面整体的均温性可控制在3℃范围内，并且散热器的温升也可以得到一定的降低，本试验件可降低3℃左右。

运用热仿真计算软件，在外界条件相同的条件下，对直齿和波纹形散热翅片进行仿真计算，其结果如图5所示。直齿散热翅片功率器件安装面温度为153.5℃，波纹形散热翅片为133.5℃，因此，波纹风冷散热器的冷却能力优于直齿风冷散热器，但两者散热翅片本体的温度均匀性比较差，从而对散热器的冷却性能产生较大的影响。

图5 直齿和波纹形散热翅片温度场

2.2 板翅式风冷散热器

板翅式风冷散热器的结构参数为通风部分高度100 mm，翅片长度240 mm，翅片间距4 mm，冷却空气迎面流速8 m/s，热流密度4.81 W/cm2，测试结果为散热器温升45℃，冷却空气压力损失为460 Pa，单位体积散热量为374 kW/m3。与波纹风冷散热器比较，单位体积散热能力提高52.7%，但空气压力损失也较大。

2.3 铲齿风冷散热器

为了了解铝制铲齿散热器的热性能，对翅高为15 mm、翅片长度150 mm、翅片厚度1 mm、翅片间距为1 mm、冷却空气迎面流速5.4 m/s，热流密度2.7 W/cm2的铲齿风冷散热器进行温升试验。试验结果表明：散热器功率元件安装面的温度为74.2℃，散热器温升44.8 K，冷却空气压力损失为460 Pa，单位体积散热量达到4 570 kW/m3。