基于Icepak的IGBT模块水冷散热特性仿真分析

石建光，张永亮，吴文杰

（1.200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院；2.201815 上海市 上海鑫国动力科技有限公司）

0 引言

IGBT 模块集成度越来越高，结构越来越紧凑，热流密度也随之变高，局部过高的热流密度必然带来大量发热。根据相关研究，工作温度增加10 ℃，电子元件失效率增大1 倍[1-2]，因此，温度控制对IGBT 模块使用寿命和可靠性都有非常重要的影响。

IGBT 散热器主要的散热形式分为风冷散热和水冷散热。风冷散热器结构比较简单，制作成本低，但是散热效率不高。水冷散热器因为散热性能优良的特点使用越来越广泛[3]。本文以某型号IGBT 水冷散热器为研究对象，通过ANSYS Icepak 对不同肋片数目、厚度和结构形式的散热器仿真，分析得到了肋片各参数对散热性能影响规律，为后续散热器的结构优化提供了参考。

1 IGBT 水冷散热器传热分析

本文研究的某型号采用水冷散热的电机控制器，控制器壳体底部装配一个水冷板。水冷板上方装有3 个IGBT 封装模块。水冷板采用的是肋片结构，控制器实体模型如图1 所示。

图1 控制器结构模型Fig.1 Controller structure model

热传递主要存在3 种基本形式：热传导、热辐射和热对流[4]。如图2 所示，IGBT 芯片通过导热硅脂与基板贴紧，基板与散热器相连，IGBT芯片产生的大量热量依次通过导热硅脂与基板传输到散热器内部，期间热辐射可以忽略不计。本文所研究的IGBT 模块散热器是通过强迫式水冷进行散热，所以对流只考虑冷却液的换热，忽略空气对流换热[5]。

图2 传热结构示意图Fig.2 Heat transfer structure diagram

2 传热理论计算

2.1 IGBT 热损耗计算

对于IGBT 模块，主要考虑来自于IGBT 芯片的损耗。IGBT 热损耗组成如图3 所示。

图3 IGBT 芯片损耗组成Fig.3 IGBT chip loss composition

通态损耗Pcond-IGBT计算如式（1）：

式中：VCEO——门槛电压，也叫做初始导通电压，；r——通态电阻；m——调制比；cosφ——功率因数。

开关损耗Psw-IGBT计算如式（2）：

式中：fsw-IGBT——IGBT 开关频率；Eon，Eoff——IGBT 标定开关损耗；Vdc——直流母线电压；in——实际电流；Inom，Vnom——标称电流、电压。

如图3 所示的IGBT 芯片损耗图和上述理论计算，可得IGBT 总损耗

2.2 热阻模型

根据热阻原理，可得热阻等效电路，如图4所示。根据图4，由冷却液温度和IGBT 热损耗，可以推出IGBT模块的最高温度TIGBT-max，如式（4）。

图4 IGBT 热阻等效电路图Fig.4 IGBT thermal resistance equivalent circuit diagram

式中：Tj——IGBT 结温；Ta——冷却液温度；Ts——散热水冷板壳体温度[6]。

3 热仿真与影响因素分析

3.1 简化模型与仿真

根据研究的电机控制器实际模型，将IGBT模块水冷器单独分离出来进行研究。为了减少不必需的仿真计算工作量，可以利用Workbench 中的SCDM 软件将IGBT 散热器中倒角、螺丝和空位等去掉，这些特征对散热器散热性能无影响，只保留散热器的主体特征信息。这样能够在保证仿真结果准确的同时，做到尽可能简化散热器模型，减少网格的数量，加快计算速度。将散热器简化模型由有限元软件Icepak 导入，对其划分网格。根据资料计算出热损耗值，忽略重力作用和辐射换热。采用Icepak中liquid-water作为冷却液，初始进水口温度为25 ℃，设置为湍流，流量设置为固定15 L/min。

图5 散热器结构（正弦波纹肋片）简化示意图Fig.5 Simplified schematic diagram of radiator structure (sine wave rib)

3.2 肋片结构形式影响分析

本文研究的3 种肋片结构形式分别是平直形、正弦波纹形、三角波纹形。肋片结构形式如图6 所示。

图6 3 种不同肋片结构Fig.6 Three different rib structures

设置肋片厚度为2 mm，肋片数目为18 条，进水口温度25 ℃，流速为15 L/min，除肋片的结构形式外，其他边界条件均相同。分别对这3种肋片结构形式的几何模型进行仿真，其温度云图分别如图7—图9 所示。

图7 正弦波纹肋片温度云图Fig.7 Temperature nephogram of sinusoidal corrugated fin

图8 三角波纹肋片温度云图Fig.8 Temperature nephogram of triangular corrugated fin

图9 平直肋片温度云图Fig.9 Temperature nephogram of flat fin

通过仿真可以看到，在同等边界条件下，正弦波纹肋片的散热效果最好，三角波纹肋片次之，平直形肋片最差。原因是肋片在保证相同长度的前提下，波纹肋片的“褶皱”会增大对流换热面积，而且会在肋片间产生细小涡旋，提高了紊流度，从而增强了散热效果，而三角形波纹肋片面积增加比较小，但是对压降影响小，制造比较容易，适合小流量散热场景。

3.3 肋片数目的影响

由于控制器的空间约束，设置肋片数目从12～30 条进行仿真，肋片结构为正弦波纹肋片，肋片厚度设置为2 mm，进水口流量为15 L/min。得到的肋片间距与IGBT 最高温度的数据见表1。表中数据显示，当肋片数目增加时，IGBT 最高温度随之降低，原因是肋片数目减小，对流换热面积随之增大，从而提升了散热性能。但是，过多的肋片数目会增大压降，在进水口流量不变的情况下流速降低，反过来又会减弱散热效果，因此增加肋片数目要在满足压降要求下进行。

表1 各肋片数目对应IGBT 最高温度Tab.1 The number of fins corresponding to TIGBT-max

由表1 知，当肋片数目从12 增加到30 时，IGBT 最高温度从52.66 ℃到50.25 ℃，散热性能提升4.6%。分析是因为肋片数目增多，增大了对流换热面积，对流换热系数增大，从而提升了散热性能。但肋片数目从24 到30 条，IGBT 最高温度下降趋势有所减弱，散热性能只提高1%，但是压降提升幅度很大，对水泵要求很高。因为过多的肋片数目会增大压降，在进水口流量不变的情况下流速会降低，反过来又会减弱散热效果，因此，增加肋片数目要在满足压降要求下进行。

3.4 肋片厚度影响

取肋片厚度1～2.5 m，肋片数目为18 条，肋片结构取正弦波纹形肋片，冷却液温度为25 ℃，其他仿真边界条件相同。将几何模型导入ANSYS Icepak 仿真得到表2 数据。

表2 不同肋片厚度对应的IGBT 最高温度Tab.2 Different fin thickness corresponding to TIGBT-max

根据表2 仿真数据显示，随着肋片厚度的增加，TIGBT-max越来越小。这是因为增加肋片厚度后，IGBT 模块和肋片之间的热阻减小。此外，在肋片数目不变的情况下，通过增加肋片厚度，减小了肋片间距，冷却液通道截面积减小，从而提高了肋片间冷却液流速，提高了换热性能。

4 结语

本文通过肋片结构形式、数目、厚度3 种因素对IGBT 散热器冷却性能进行探讨，用ANSYS软件建模进行数值模拟，得到了肋片结构形式、数目、厚度对IGBT 模块最高温度的作用规律，解决了IGBT 模块高热流密度散热的问题，满足了IGBT 模块散热性能要求，从而保证电机控制器的正常运转，为后续的优化设计提供了参考。