大功率IGBT散熱器水冷熱阻計算

摘要：為了優化水冷散熱器散熱能力，保障其可靠工作，引用了傳熱學中的基本原理與公式，以散熱器外形的機械尺寸、水的強制對流換熱系數和水的導熱系數作為參數及變量推導了散熱器水冷熱阻的計算公式。同時為了滿足實際應用，開發了一種專用水冷散熱器熱阻計算和曲線繪制軟件，可以顯示熱阻隨參數變化而變化的各種曲線，也可以直接計算顯示熱阻值。為散熱器的設計中參數的優化選擇提供直觀方便的參考。
關鍵詞：水冷散熱器；熱阻計算；軟件；大功率IGBT散熱器

和諧型電力機車是采用大功率半導體技術的交直交變流型電力機車。由于其具有先進的交流變頻調速、再生發電制動、大功率交流電機控制和自動化程度高等技術特點，使其在鐵路主干線運輸中的高速大功率機車上廣泛應用。每臺機車的變流器使用了三種IGBT模塊，即：四象限斬波器(4QC)模塊、電機側逆變器模塊(Inv)和輔助逆變器模塊。對某機務段2009年7月到2011年5月4日為止的305臺HXD1B電力機車變流器故障進行調研，結果發現，合計共有4 880個模塊在使用，出現故障255件次，出故障的IGBT模塊顯示至少有一個IGBT芯片失效，至今為止還未見除功率半導體器件外的原因造成的模塊故障，這種故障隨著季節性環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，所以對于電子器件的冷卻和數熱成為后期研究的重點之一。通過研究器件的冷卻和散熱問題，對其散熱條件進行優化改造，使其能盡量長時間工作在溫度適宜的環境下，降低事故發生率，從而對于維護鐵路機車安全運行有重要作用。
本文通過對大功率IGBT散熱器的散熱過程分析，先引用了傳熱學中的基本原理與公式，將熱阻的計算分為散熱器內固體傳熱過程產生的導熱熱阻以及散熱器與冷卻液間的傳熱過程產生的對流換熱熱阻兩部分，以散熱器外形的機械尺寸、水的強制對流換熱系數和水的導熱系數作為參數及變量推導了散熱器水冷熱阻的計算公式。為了簡化分析，編制了用于熱阻計算的軟件。該軟件具有簡單清晰的操作界面，可以顯示熱阻隨參數變化而變化的各種曲線，也可以直接計算顯示熱阻值。為散熱器的設計分析提供直觀方便的參考。

1 傳熱學的基本公式和原理
1．1 熱傳遞的原理與基本方式
熱傳導導熱的基本公式為：
Q=KA△T／△L (1)
式中Q代表為熱量，也就是熱傳導所產生或傳導的熱量；K為材料的熱傳導系數?！鱐代表兩端的溫度差；△L則是兩端的距離。對流指的是流體(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。
熱對流的公式為：
Q=hA△T (2)
式中：Q依舊代表熱量，也就是熱對流所帶走的熱量；h為熱對流系數值；A為熱對流的有效接觸面積；△T代表固體表面與區域流體之間的溫度差。
1．2 熱阻的計算
熱阻代表了導熱過程中的阻力，它是一種反映阻止熱量傳遞的能力的綜合參量。為了簡化分析，將散熱器模型簡化后，認為存在對流換熱熱阻以及導熱熱阻兩種形式。在散熱器的平面板內存在導熱熱阻。計算公式為：
Rnd=L／KA (3)
式中：L代表散熱器平板厚度；K代表板材鋁的熱導率；A代表垂直熱流方向的截面積即平板面積。
散熱器內的水與散熱片之間的熱阻是對流換熱熱阻。計算公式為：
Rnv=1／hAs (4)
式中：As代表總的有效對流換熱面積；h代表對流換熱系數，它與努塞爾數有關。根據努塞爾數的計算公式可反推h的計算公式如下：

式中：Nu代表努塞爾數；λf代表流體導熱系數；h這里應該是水強制對流導熱系數；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算如下：
Rtd=RnvλfB+RndKB (6)
式中：B代表散熱器的寬度，其他數值都在前面有所介紹。當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。下面來看散熱器的對流換熱熱阻。由式(5)，式(6)可得：

由式(7)可以看出，對流換熱熱阻與Dh成正比，與As成反比?？梢姴荒転榱俗非笱h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則會相應減少散熱器總熱阻，增強散熱效果。將式(3)，式(7)代入式(6)可得總的熱阻計算式為：

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