大功率IGBT散熱器水冷熱阻計(jì)算

摘要：為了優(yōu)化水冷散熱器散熱能力，保障其可靠工作，引用了傳熱學(xué)中的基本原理與公式，以散熱器外形的機(jī)械尺寸、水的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)和水的導(dǎo)熱系數(shù)作為參數(shù)及變量推導(dǎo)了散熱器水冷熱阻的計(jì)算公式。同時(shí)為了滿足實(shí)際應(yīng)用，開發(fā)了一種專用水冷散熱器熱阻計(jì)算和曲線繪制軟件，可以顯示熱阻隨參數(shù)變化而變化的各種曲線，也可以直接計(jì)算顯示熱阻值。為散熱器的設(shè)計(jì)中參數(shù)的優(yōu)化選擇提供直觀方便的參考。
關(guān)鍵詞：水冷散熱器；熱阻計(jì)算；軟件；大功率IGBT散熱器

和諧型電力機(jī)車是采用大功率半導(dǎo)體技術(shù)的交直交變流型電力機(jī)車。由于其具有先進(jìn)的交流變頻調(diào)速、再生發(fā)電制動(dòng)、大功率交流電機(jī)控制和自動(dòng)化程度高等技術(shù)特點(diǎn)，使其在鐵路主干線運(yùn)輸中的高速大功率機(jī)車上廣泛應(yīng)用。每臺(tái)機(jī)車的變流器使用了三種IGBT模塊，即：四象限斬波器(4QC)模塊、電機(jī)側(cè)逆變器模塊(Inv)和輔助逆變器模塊。對(duì)某機(jī)務(wù)段2009年7月到2011年5月4日為止的305臺(tái)HXD1B電力機(jī)車變流器故障進(jìn)行調(diào)研，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，合計(jì)共有4 880個(gè)模塊在使用，出現(xiàn)故障255件次，出故障的IGBT模塊顯示至少有一個(gè)IGBT芯片失效，至今為止還未見除功率半導(dǎo)體器件外的原因造成的模塊故障，這種故障隨著季節(jié)性環(huán)境溫度的升高而增多。由此推斷，IGBT失效與其散熱狀況密切相關(guān)，所以對(duì)于電子器件的冷卻和數(shù)熱成為后期研究的重點(diǎn)之一。通過研究器件的冷卻和散熱問題，對(duì)其散熱條件進(jìn)行優(yōu)化改造，使其能盡量長時(shí)間工作在溫度適宜的環(huán)境下，降低事故發(fā)生率，從而對(duì)于維護(hù)鐵路機(jī)車安全運(yùn)行有重要作用。
本文通過對(duì)大功率IGBT散熱器的散熱過程分析，先引用了傳熱學(xué)中的基本原理與公式，將熱阻的計(jì)算分為散熱器內(nèi)固體傳熱過程產(chǎn)生的導(dǎo)熱熱阻以及散熱器與冷卻液間的傳熱過程產(chǎn)生的對(duì)流換熱熱阻兩部分，以散熱器外形的機(jī)械尺寸、水的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)和水的導(dǎo)熱系數(shù)作為參數(shù)及變量推導(dǎo)了散熱器水冷熱阻的計(jì)算公式。為了簡(jiǎn)化分析，編制了用于熱阻計(jì)算的軟件。該軟件具有簡(jiǎn)單清晰的操作界面，可以顯示熱阻隨參數(shù)變化而變化的各種曲線，也可以直接計(jì)算顯示熱阻值。為散熱器的設(shè)計(jì)分析提供直觀方便的參考。

1 傳熱學(xué)的基本公式和原理
1．1 熱傳遞的原理與基本方式
熱傳導(dǎo)導(dǎo)熱的基本公式為：
Q=KA△T／△L (1)
式中Q代表為熱量，也就是熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生或傳導(dǎo)的熱量；K為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)。△T代表兩端的溫度差；△L則是兩端的距離。對(duì)流指的是流體(氣體或液體)與固體表面接觸，造成流體從固體表面將熱帶走的熱傳遞方式。
熱對(duì)流的公式為：
Q=hA△T (2)
式中：Q依舊代表熱量，也就是熱對(duì)流所帶走的熱量；h為熱對(duì)流系數(shù)值；A為熱對(duì)流的有效接觸面積；△T代表固體表面與區(qū)域流體之間的溫度差。
1．2 熱阻的計(jì)算
熱阻代表了導(dǎo)熱過程中的阻力，它是一種反映阻止熱量傳遞的能力的綜合參量。為了簡(jiǎn)化分析，將散熱器模型簡(jiǎn)化后，認(rèn)為存在對(duì)流換熱熱阻以及導(dǎo)熱熱阻兩種形式。在散熱器的平面板內(nèi)存在導(dǎo)熱熱阻。計(jì)算公式為：
Rnd=L／KA (3)
式中：L代表散熱器平板厚度；K代表板材鋁的熱導(dǎo)率；A代表垂直熱流方向的截面積即平板面積。
散熱器內(nèi)的水與散熱片之間的熱阻是對(duì)流換熱熱阻。計(jì)算公式為：
Rnv=1／hAs (4)
式中：As代表總的有效對(duì)流換熱面積；h代表對(duì)流換熱系數(shù)，它與努塞爾數(shù)有關(guān)。根據(jù)努塞爾數(shù)的計(jì)算公式可反推h的計(jì)算公式如下：

式中：Nu代表努塞爾數(shù)；λf代表流體導(dǎo)熱系數(shù)；h這里應(yīng)該是水強(qiáng)制對(duì)流導(dǎo)熱系數(shù)；Dh是表征傳熱面的幾何特征長度，這里代表管道水力直徑。
定義散熱器的總熱阻計(jì)算如下：
Rtd=RnvλfB+RndKB (6)
式中：B代表散熱器的寬度，其他數(shù)值都在前面有所介紹。當(dāng)散熱器外形尺寸固定的情況下，由式(3)可知Rnd為一定值，K與B都為固定值。λf不變，則散熱器的總熱阻就與Rnv直接相關(guān)。下面來看散熱器的對(duì)流換熱熱阻。由式(5)，式(6)可得：

由式(7)可以看出，對(duì)流換熱熱阻與Dh成正比，與As成反比。可見不能為了追求循環(huán)水量的增加而一味的增大管道水力直徑，這樣并不能取得很好的冷卻效果。減少Rnv則會(huì)相應(yīng)減少散熱器總熱阻，增強(qiáng)散熱效果。將式(3)，式(7)代入式(6)可得總的熱阻計(jì)算式為：

式中：le代表散熱器的長度；λf為水的導(dǎo)熱系數(shù)，h為水的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)。
1．3 計(jì)算實(shí)例
一般電子設(shè)備散熱器采用水冷散熱方式時(shí)，散熱器內(nèi)部的液體流通方式分為兩大種：串聯(lián)通道和并聯(lián)通道。如圖1所示分別是兩種模型的水道截面顯示圖。其中A模型是串聯(lián)型水道分布，模型是在每條串聯(lián)的水道中添加了若干條散熱片。B模型是并聯(lián)的水道只存在直行通道，液體從進(jìn)水口處到出水口處通過并行的水道流過。