电力电子集成模块用冷板传热性能的仿真与实验研究

电力电子集成模块用冷板传热性能的仿真与实验研究SimulationandExperimentalResearchonColdPlatesUsedforIntegratedPowerElectronicsModule西安交通大学能源与动力工程学院,余小玲，张荣婷，冯全科Email：[e-mail]摘要：本文提出了水道结构分别为S型加分流片和螺旋型加分流片的两种新型冷板，并对这两种新型冷板以及传统直线型和S型冷板的流场和温度场进行了仿真研究,对比了四种冷板的流阻性能和换热性能。仿真结果表明,S型加分流片冷板具有较好的流动换热综合性能，在相同的进口流速和进口温度下，S型加分流片冷板上芯片的最高温度比直线型冷板上的芯片温度低19℃，比S型冷板上芯片的温度低23℃。另外，本文对S型加分流片冷板的传热性能进行了实验测试以对仿真结果进行验证，结果表明，仿真结果与实验结果的误差在15%左右。Abstract：Thispaperpresentstwonewtypecoldplates,whoseliquidpassagesarerespectivelyS-shapewithfinsandscrewshapewithfins.Thetemperatureandflowfieldsofthetwonewcoldplates,thecurrentstraight-linepassagecoldplateandS-shapepassagecoldplateweresimulatedandcomparedwhentheywereusedforintegratedpowerelectronicsmodule(IPEM).TheresultsindicatedthatthecoldplatewithliquidpassageofS-shapewithfinshasthebestflowandthermalperformanceinthefourcoldplates.Thehighesttemperatureofchipsonitis19℃lowerthanthatofthechiponthestraight-linepassagecoldplateand23℃lowerthanthatofchipontheS-shapepassagecoldplate,whentheinletvelocityandtemperaturearethesame.TheflowandthermalperformanceofthecoldplatewithliquidpassageofS-shapewithfinswerealsotestedinexperimentstoverifythesimulatedresults.Errorofthesimulatedresultsisabout15%.关键词：冷板，电力电子集成模块，传热性能，流动阻力Keywords：Coldplate,Integratedpowerelectronicsmodule,Heattransferperformance,Flowresistance1前言目前，风冷是电力电子装置中最常用的冷却方式。虽然风冷方式成本低廉，且风冷技术不断提高，但是风冷本身受到散热能力的限制。随着电力电子装置热流密度的提高，比风冷冷却能力更大的液体冷却系统的应用将大行其道。液体冷却结构广泛使用的是一种称为冷板的热交换器。冷却介质在冷板内置的通道内流过，带走安装在冷板上的电子装置产生的热量。冷板具有重量轻、体积小、散热量大等特点。采用冷板散热结构为整机小型化、轻量化创造了条件。目前,大部分冷板内的液体通道是直线型通道,这种结构容易加工,但是存在内循环需求水量大和各个流道流量分配不均的问题。国内外的研究主要集中在冷板水道尺寸的优化上[1,2,3]。和直线型水道相比，S型水道结构节省进水量，流道的方向改变增加了流动的扰动,增大了对流换热系数，并且不存在各个流道流体分布不均匀的情况，在一定程度上改善了散热效果[4,5]，但其换热效率仍待进一步提高。为提高冷板的冷却效果，研究新的冷板结构非常必要。本文为典型结构的电力电子集成模块设计了两种新型的冷板，一种冷板的内部液体通道为S型加分流片，一种为螺旋型通道。本文对直线型流道冷板、传统S型流道冷板和两种新型结构冷板的流动和换热特性进行了仿真研究，并搭建了实验台，对S型加分流片冷板的传热和流动特性进行了实验研究。2模型及几何参数本文研究的电力电子集成模块内有12个尺寸为12.4mm*12.4mm*0.18mm的IGBT芯片,排列如图1所示。水冷集成模块的结构图如图2所示。表1和表2列出了模块内各种材料的热性能参数和几何尺寸。160mm120mm12.435图1集成模块芯片布置图图2水冷集成模块的结构图表1模块导热材料传热参数材料热导率(W/m.k)密度（kg/m3）比热容（J/kg·K）IGBT管芯1412330700管芯焊料3910902139DBC覆铜层3858933385Al2O3253960850DBC焊料657320230冷板铜材3858933385表2模块导热材料几何尺寸材料厚度（mm）长度（mm）宽度（mm）IGBT管芯0.18012.412.4管芯焊料0.112.412.4DBC覆铜层0.3160120Al2O30.38160120DBC焊料0.1160120铜材冷板20160120本文研究的第一种冷板结构是传统的直线型水道冷板,沿流动方向有六条并行流道。流道截面尺寸12mm*10mm图3直线型冷板结构图本文研究的第二种冷板结构是S型水道冷板。图4S型冷板结构图新型冷板结构的改进之处是在传统S型水道冷板的热源下方的水道内布置了分流片。分流片同时起到增大换热面积和增强扰流的作用，并且使水可流过的截面积减小，起到增加流速的作用，有利于提高水与壁面的换热系数。只在芯片底下加分流片而在其他部分仍采用光滑通道是出于增强换热又要限制流动阻力的考虑。S型加分流片流道的结构图如图5所示。流道截面尺寸12mm*10mm图5S型加分流片冷板结构图DBC覆铜层DBC覆铜层DBC焊料水冷板水道Al2O3层芯片焊料进水出水进水出水IGBT芯片螺旋型加分流片冷板结构的构想来源于射流式风冷散热器，使来流垂直于发热面，直接冲击发热面，然后沿螺旋水道流出冷板。在芯片底下位置增加了六片分流片。长方向流道截面尺寸12mm*10mm宽方向流道截面尺寸18mm*10mm图6螺旋型加分流片冷板图四种冷板的外形尺寸是一样的，长160mm，宽120mm，高20mm，内部水道的高度为10mm，水道上下铜壁厚度均为5mm。3数学模型及边界条件本文模拟的是液体流动换热与固体导热的耦合传热问题，计算同时求解连续方程、动量方程和能量方程，参考前人对冷板进行热仿真的研究[6~9]，计算做了如下基本假设：(1)模型中流体的物性参数为常数；(2)流体的流动是定常的；(3)流体为不可压缩流体；(4)流体在壁面无滑移，即壁面处的流速为零；(5)IGBT处为等热流密度边界；(6)不考虑自然对流及辐射换热；(7)入口处水的流速均匀分布；(8)出口满足局部单向化。根据所选的流速范围（0.5m/s~4m/s），计算中取高雷诺数kε−方程模型和壁面函数法，控制方程的求解采用SIMPLE算法。流体材质设置为水，冷板材质设置为铜，DBC层的Al2O3和覆铜层分别设置相应的物性参数。IGBT芯片面发热密度值621.62610/wm×(每个芯片的发热量为250w，总发热量为3000w)。进口边界设置为速度入口(0.5m/s~4m/s),并设置进口流体温度(10℃~40℃)。流体的出口设置为局部单向化。设定固体和流体的接触面为壁面，该处的流速为零。冷板的非流通部分的壁面，取为绝热壁面。速度入口中的kε，的设置规则是：紊流动能k取来流速度平均动能0.5%，ε按式2/tCkμερμ=求取。4仿真结果分析4.1温度场分析给定来流速度为293k，流速为1m/s，四种结构在相同的工况下的计算结果如图7（a）、（b）、（c）、（d）所示。（a）直线型冷板（b）S型冷板（c）S型加分流片冷板进水进水（d）螺旋型加分流片冷板图7四种冷板的温度分布从以上4幅图中可以看出，四种冷板表面的温度分布都是热源处高，周围低，且中间的芯片温度比周围的芯片温度高。热源周围的温度变化较其它部分剧烈，这是因为热源处的热流密度较其它部分大的缘故。从图中还可以看出，对四种冷板，都是离出口近的芯片温度比离入口近的芯片温度高，这是因为靠近出口处的水温比入口处高。直线型冷板虽然进口流量是S型加分流片和螺旋型加分流片冷板的6倍，但是芯片的最高温度分别比S型加分流片和螺旋型水道高19℃和12℃。对比图7（b）和（c）可以看出，对于S型水道，在芯片下方增加分流片，对于换热有明显的改善作用，芯片的最高温度可降低23℃。4.2流体入口流速的影响在不同入口流速下，四种冷板上芯片的最高温度和压降的模拟结果如图8（a）、（b）所示。从图中可以看出，在相同的流速下，S型加分流片冷板上芯片的温度最低；螺旋形加分流片冷板的阻力损失最大，直线型冷板的阻力损失最小。提高入口流体的速度，流道壁面对流换热系数增大，芯片的最高温度下降，但是流速的增大会导致压力损失的增加。当流速增大到2.0m/s后继续增加时，对流换热系数的增加逐渐变得缓慢而压力损失急剧增大。这说明入口流速并非越大越好，而是存在一个最优值。（a）芯片最高温度（Tin=293k，P=3000w）（b）冷板进出口压降（Tin=293k，P=3000w）图8不同流速下芯片最高温度与压降与加热功率的关系5实验装置从仿真分析结果看出，S型加分流片冷板具有较好的流动换热综合性能。本文对其传热性能进行了实验研究，以对仿真结果进行验证。冷板采用机加工制成，如图9所示。实验流程图如图10所示。循环水路的动力由水泵提供，流速通过安装在主回路和储水箱支管上的两个阀门来调节。芯片产生的热量由空气-水换热器带走。冷板的进出口水温通过两个热电偶测量，进出口压差通过差压计测量，流速通过玻璃转子流量计进行测量。芯片及冷板上表面的温度通过14个热电偶测得。实验结果表明，在加热功率为945W，流速为1.75m/s，入口温度为15.5℃的条件下，冷板上芯片的最高温度为65℃,而仿真结果为55℃，与实验结果的误差为15.4%。图9S型加分流片冷板结构图图10实验流程图6结论本文对四种冷板的流动换热性能进行了模拟，并进行了对比分析。模拟结果表明，S型加分流片结构的冷板具有较好的流动换热综合性能。在相同的进口流速和进口温度下，S型加分流片结构冷板上芯片的最高温度比传统直线型水道冷板上的芯片温度低19℃，比传统S型水道冷板上芯片的温度低23℃。螺旋型水道冷板的散热效果不及S型,并且流动阻力损失比S型大。模拟结果还表明，进口流速并非越大越好，而是存在一个最优值，超过改值之后，增大流速只会导致压力损失的急剧增大而对冷板的换热并无明显改善。另外，本文对S型加分流片冷板的传热性能进行了实验研究，与仿真结果进行对比，结果表明，仿真结果与实验结果的误差在15%左右。致谢感谢台达环境与教育基金会电力电子科教发展计划对本文的资助。参考文献：1徐德好.微通道液冷冷板设计与优化[J].电子机械工程，2006，22(2):14-182顾学岐.冷板的优化设计及强度计算[J].北京工业大学学报，1998，24(1):24-323BorisAkselband,KathrynWhitenack,DickGoldman.CopperColdPlateTechnologyComparison[C].ThermomechanicalPhenomenainElectronicSystems-ProceedingsoftheIntersocietyConference,Itherm2006,2006,p147-150.4支淼川.电力电子设备水冷散热器的数值模拟[D].华北电力大学,2006.25高新霞.大功率电子元器