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IGBT是電動汽車用功率組件中的關鍵器件,因發熱量大,其散熱的好壞直接影響整車的可靠性;同

時功率組件小型化、集成化的發展趨勢,使得IGBT散熱器的尺寸須嚴格控制。文章介紹了一種針肋式

(PIN-FIN)水冷散熱器的設計過程,并應用ICEPAK熱分析軟件對散熱器的三維流場、溫度場進行

了仿真分析。結果表明,使用PIN-FIN冷板不僅能很好地滿足IGBT的散熱需求,而且大大減小了

冷板的尺寸。

電驅動系統是整個電動汽車的心臟,而控制器用于控制電機的啟動、調速和制動,其性能直接決定

了電驅動系統性能,進而影響整車的性能。作為控制器核心部件的IGBT模塊,由于內部元器件集

成度高,單位體積內的熱耗散大,如果熱量不能及時散發出去,就會造成IGBT熱量集聚,溫度上升,

進而失效。在研究IGBT故障的試驗中發現,超過55%的失效是由于溫度過高引起的。IGBT的可

靠運行必須依靠良好的散熱設計,IGBT內的熱量主要是通過散熱器散發,因此散熱器的合理設計至

關重要。

本文的研究是基于85kWIPU控制器,該控制器的主要熱源來自IGBT模塊(Dynex公

司的雙面冷卻模塊)。每個IGBT芯片的損耗為173.5W,每個二極管芯片的損耗為72.9 W,

IGBT模塊實際總耗散功率為2956.8 W,允許最大結溫為150℃。所設計的散熱器

結構必須保證IGBT功率器件運行時其內部結溫始終保持在允許范圍之內,且盡可能地降低,以保

證充分的裕量(約20~30℃)。

根據總損耗和IPU的小型化要求,其耗散熱流密度為39 W/cm,傳統的風冷散熱方式已經難以滿足

其可靠工作,故采用液冷散熱的方式。這是因為冷卻液的熱容量和密度大,器件在散熱器上的安裝密

度也可加大,因而集成度高、結構緊湊,很適合在IPU控制器中使用。IPU的工作環境溫度為-40~+85℃,

冷卻液選用50%(體積濃度)乙二醇水溶液,其相關物理特性如下圖:

目前廣泛使用的具有大換熱系數(熱流密度可超過50W/cm)的水冷散熱器主要為微通道水冷板和

PIN-FIN冷板。微通道冷板散熱是一種利用微小通道供冷卻液流通來冷卻功率器件的冷卻技術。微通道冷

板的通道水力學直徑一般在1~1 000 μm的范圍,其焊接工藝復雜,需設計焊接工藝結構來避免微槽道的

變形、阻塞及焊縫滲漏等缺陷,因此微通道冷板內腔結構往往都比較復雜。高精密的加工及復雜的焊接工藝,

使微通道冷板的成本較高;同時在汽車上使用時,由于其冷卻液往往并非是超純水,當通道過小時,冷卻液

中的雜質易堵塞通道。

PIN-FIN散熱器就是肋為釘狀或針狀的散熱器,是目前效率較高的散熱器之一,主要加工工藝為冷鍛、

金屬注射成形(MIM)、陶瓷注射成形(CIM)及其他一些軋制等變形工藝。采用冷鍛工藝生產的PIN-FIN

散熱器,肋片的一致性高,焊接工藝比微通道冷板要簡單,批量生產的成本低于微通道冷板。在性能方面,由于

PIN-FIN冷板的針狀肋不僅增加了水流的擾動及流道中水的湍流強度,而且還增加了換熱面積,故在同等條件

和特征尺寸(通道高度和間距)下,相對于微通道冷板,PIN-FIN的熱阻較小,流阻較大。

根據IGBT外形和IPU控制器的接口要求,對散熱器的結構進行初步設計,該散熱器由上下兩塊PIN-FIN

冷板組成。IGBT模塊直接焊接在冷板1上,冷板2壓接在IGBT上,兩塊冷板間通過O形密封圈實現水路密封。由于進、出口需在同一側,兩塊冷板間的水路為串聯。每塊水冷板均由散熱板和冷卻水流道兩部分組成。散熱板采用叉排散熱

柱,一方面提高散熱器內部流暢的湍流強度;另一方面加大散熱面積,提高散熱效果。一般雙面散熱較單面散熱

能力提高30%以上。

IGBT的熱傳遞路徑如圖所示。熱量首先通過熱傳導的方式由襯板傳到散熱器,然后通過強迫液冷的方式傳導至

外界環境中。為了減小襯板與散熱器間的熱阻,取消了傳統IGBT模塊中的基板層,將襯板直接焊接在冷板1上。

冷板2與IGBT模塊間連接的最佳方式也應是焊接,但這對IGBT、散熱器的加工精度和焊接工藝要求高,目前較

難實現,因此將冷板2壓接在IGBT上。同時,為了減小接觸熱阻,散器安裝面表面粗糙度達1.6以上,并在IGBT

模塊與冷板2間均勻涂滿導熱硅膠,并用一定的預緊力壓緊。

采用ICEPAK軟件對散熱器進行數值模擬分析。由于在ICEPAK中建模有一定的局限性,可采用SOLIDEDGE等

軟件建模后利用ANSYSWORKBENCH中的DM模塊進行修正,再導入到ICEPAK中進行求解。同時由于實際模

型較為復雜,為了減小仿真系統的計算量,提高計算速度,需對模型進行合理的簡化,忽略安裝螺紋孔和倒角

等細節部分。對熱分析影響大的部分建立詳細的物理模型,而對熱分析影響較小或沒有影響的部分進行簡化處理。

按表1定義模型中器件的材料參數,并按50%乙二醇水溶液物理特性設置冷卻液參數。

網格類型(Mesh type)選擇Mesh-HD,并將全局最大網格尺寸設為2 mm,最小網格尺寸設為0.1mm;散熱柱部分的最大網格尺寸設為0.25 mm,最小網格尺寸設為0.01 mm;其他選項保持默認設置,劃分后網格總數為5 122838,節點數為4 987173。檢查發現,網格質量良好,無負值網格。管芯片結溫、上下冷板臺面溫度,其分布云圖如圖所示。

IGBT芯片最高結溫為118℃,各模塊間溫差為0.6℃;二極管芯片最高結溫為11 2℃,各模塊間溫度差為0.7℃。

整個冷卻系統的壓降為77 kPa。綜上可知,IGBT芯片的結溫遠低于其最大允許結溫(150℃),能保證充分裕量。

可見,此散熱器能很好地滿足需求。冷板2的臺面溫度遠高于冷板1的臺面溫度,這是因為冷板2側的導熱硅脂層

和銅墊塊使得芯片至冷板2的熱阻遠大于芯片至冷板1的熱阻,大部分熱量從冷板1側流走。隨著工藝的進步,如

將壓接側也改為焊接,可大大減小冷板2側的熱阻,進一步降低結溫,提高了IGBT模塊工作的可靠性。