高鳳良，黃雄峰 ，范虹興，張炫焜

（1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002；2.合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009；3.國網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華 321017；4.國網(wǎng)重慶市電力公司黨校（培訓中心），重慶 400053）

絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）同時具有高輸入阻抗和低導通壓降的特點[1-2]，在功率半導體器件中具有很高的商業(yè)價值。近年來，IGBT模塊在各個領(lǐng)域應用廣泛，如電動汽車、艦船、高速火車、智能電網(wǎng)、風力發(fā)電機和高壓直流輸電等[3-4]。當IGBT模塊在高頻工況下作業(yè)時，產(chǎn)生的功率損耗增大，尤其當設(shè)備電壓等級較高、功率較大時（MV·A級），會造成更高的溫升，研究表明，由于溫度引起功率器件的失效占將近六成[5]。在器件處于溫度較高的工況下，長期運行過程中將要承受溫度和應力的波動，會對其壽命等造成影響，為保證器件能夠安全穩(wěn)定的運行，對設(shè)備的散熱系統(tǒng)也提出了更高的要求，水冷的散熱能力是強制風冷的15～30倍[6]，與傳統(tǒng)的強制風冷相比，水冷散熱更具優(yōu)勢。因此，對IGBT模塊進行流場-溫度場耦合計算，研究IGBT功率模塊的散熱機理，可以為IGBT模塊散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)，對提高模塊工作時的安全性和可靠性具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學者對大功率IGBT模塊的散熱問題做了一些研究。如在電動汽車中，IGBT模塊主要的散熱方式為液冷散熱，已被證明散熱效果較為明顯[7]；通過對散熱器散熱結(jié)構(gòu)進行改進，增大傳熱面積，使流體盡可能多的帶走熱量，可以提高散熱效率[8-9]；用有限元仿真軟件分別對順排針柱散熱器和叉排針柱散熱器進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明叉排針柱散熱器對流體具有很好的擾流作用，散熱效果比順排針柱散熱器好[10]；通過對微通道進行建模，設(shè)計不同形狀的翅片，研究翅片形狀和排列間距對散熱效果的影響，結(jié)果表明三角形散熱器的翅片散熱效果最好[11]。以上文獻從不同角度對散熱器的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計來改善散熱器散熱性能，但對IGBT模塊流場-溫度場數(shù)值計算方法研究較少。

本文通過對IGBT模塊水冷散熱進行理論分析，提出基于流場-溫度場耦合的溫升計算方法，并利用有限元仿真軟件對IGBT模塊進行流場-溫度場耦合計算；之后搭建溫升試驗平臺測量模塊的結(jié)溫，對比分析仿真結(jié)果與實驗結(jié)果；最后改進散熱器結(jié)構(gòu)，分析不同結(jié)構(gòu)下的散熱效率，為散熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 溫升計算方法

1.1 功率損耗計算方法

正常工作條件下，IGBT模塊的結(jié)溫主要來自內(nèi)部芯片功率損耗所產(chǎn)生的熱量，因此，要對IGBT模塊進行流場-溫度場的耦合分析，需要準確地計算模塊在運行過程中產(chǎn)生的功率損耗。

IGBT模塊開關(guān)頻率較高時，在開通、關(guān)斷過程中會產(chǎn)生能量損耗，稱為動態(tài)功耗；在導通、關(guān)斷狀態(tài)下產(chǎn)生的功耗稱為靜態(tài)功耗[12]。IGBT模塊關(guān)斷狀態(tài)下，幾乎無電流流過，模塊的關(guān)態(tài)功耗為零。因此，IGBT模塊的總功率損耗P主要由通態(tài)功耗Pf和開關(guān)功耗Ps組成。通態(tài)功耗Pf為

式中：Uon為模塊開通時的導通壓降；Ion為流經(jīng)器件的電流。

開關(guān)功耗Ps與IGBT模塊開通和關(guān)斷過程中電流、電壓的大小有關(guān)，同時也受開通和關(guān)斷所用時間的影響[13]，其開、關(guān)功耗分別為

式中：Pson為開通功耗；Psoff為關(guān)斷功耗；u，i分別為模塊開關(guān)過程中瞬時電壓值和瞬時電流值；t0為初始時間；ton，toff分別為開通、關(guān)斷過程中所用時間。所以：

1.2 基于流場-溫度場耦合的溫升計算方法

1.2.1 熱傳遞理論

熱傳遞有熱傳導、熱對流和熱輻射3種傳遞方式[14]。在實際運行過程中，IGBT模塊熱傳遞同時包含以上3種方式，但在對IGBT模塊進行熱分析時可以忽略比較弱的熱傳遞現(xiàn)象[15]。

熱傳導是固體之間熱量傳遞的主要方式，IGBT模塊在運行過程中，芯片內(nèi)部會產(chǎn)生大量的焦耳熱，熱量自上而下形成傳導通路，依次經(jīng)過上焊料層、上銅層、覆銅陶瓷基板（direct bonding copper，DBC）、下銅層、下焊料層和基板。對流傳熱是以流體為介質(zhì)，利用流體可流動性和熱脹冷縮的特性傳遞熱量。為使IGBT模塊工作時結(jié)溫處于安全范圍內(nèi)，通常會在模塊基板下方安裝散熱器，來增強模塊和流體之間的熱量傳遞，降低模塊的整體溫度。采用強制對流能夠加快對流傳熱，使散熱效果更加明顯。一般情況下，IGBT模塊的極限工作溫度通常為150℃。研究表明，當物體溫度超過500℃時，輻射傳熱才比較明顯，因此，在正常工況下IGBT模塊產(chǎn)生的熱輻射效應可以忽略[16]。本文采用有限元數(shù)值模擬的方法分析含散熱結(jié)構(gòu)的IGBT模塊溫度場分布情況，根據(jù)以上熱傳導理論，含散熱結(jié)構(gòu)IGBT模塊的穩(wěn)態(tài)溫度場方程可以表示為

式中：λ為導熱系數(shù)；x，y，z為坐標軸方向；qv為熱源密度；α為對流散熱系數(shù)；為沿邊界法向的溫度變化率；T為材料溫度；Tf為流體溫度。

1.2.2 流體控制方程

不同流動狀態(tài)下的流體對應不同的控制方程，對冷卻液流動狀態(tài)的判定是進行水冷基板仿真模擬的第一步，冷卻液流動狀態(tài)判定依據(jù)為雷諾數(shù)（Re）的大小，雷諾數(shù)的定義為

式中：ρ為冷卻液密度；u為入口流速；d為水流直徑；μ為冷卻液的動力黏度。

本文IGBT模塊水冷散熱器冷卻液采用純 水，其密度為 996.52 kg·m-3，動力黏度為0.000 895 kg·（m·s）-1，水冷散熱器的進水口直徑為0.01 m，進水口流速為1 m·s-1；水導熱系數(shù)為0.59 W·（m·K）-1，比熱容為4 186 J·（kg·K）-1。根據(jù)式（6）可以計算得到雷諾數(shù)Re=11 134，可以判定水冷基板內(nèi)水的流動狀態(tài)為湍流。

IGBT模塊水冷系統(tǒng)中，冷卻水的流動控制方程可表示如下。

1）冷卻水的質(zhì)量守恒方程。冷卻水的質(zhì)量守恒方程可以表示為

式中：ux，uy，uz為水在x，y，z方向上速度矢量u的分量。

2）冷卻水的動量守恒方程。冷卻水的動量守恒方程可以表示為

式中：t為時間；p為水微元體上的壓力。

3）流體湍流方程。文中設(shè)定冷卻水為不可壓縮流體，標準k-ε模型方程可以表示為

式中：t為時間；k為湍流動能；ε為耗散率；μt為水的湍動粘度；xi，xj為坐標位置；i，j為下標，i，j=x，y，z且i≠j；Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；σk，σε為普朗特數(shù)；C1ε，C2ε為常量；u，v，w分別為x，y，z方向的速度分量。

2 IGBT模塊建模及求解

2.1 IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)

基于不同的封裝工藝，IGBT模塊主要分為焊接式和壓接式兩大類。焊接式IGBT封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，由下到上，IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)依次為散熱器、基板、下焊料層、DBC層（下銅層、陶瓷襯板、上銅層）、上焊料層、芯片、鍵合線，IGBT芯片和續(xù)流二極管（freewheeling diode，F(xiàn)WD）芯片通過鍵合線利用超聲焊接技術(shù)連接在一起；器件內(nèi)部與外殼之間的縫隙填充硅膠，可以緩解外部震動對內(nèi)部器件的影響；對底板進行特殊加工設(shè)計，使底板與散熱器表面結(jié)構(gòu)高度吻合，減小接觸面間隙，提高模塊的散熱能力。

圖1 焊接式IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of welded IGBT module

2.2 含散熱結(jié)構(gòu)的IGBT模塊的有限元模型

文中選取型號為5SNA 0800N330100焊接式IGBT模塊為研究原型，其額定電壓為3.3 kV，額定電流為800 A。IGBT模塊內(nèi)部分2個管，每個管由2個單元并聯(lián)而成，單元內(nèi)部包含4片IGBT芯片和2片F(xiàn)WD芯片，芯片下方通過焊料與上銅層焊接在一起；下銅層焊接在基板上，基板與芯片之間通過DBC陶瓷層絕緣隔離。

IGBT模塊為型號5SNA 0800N330100，水冷散熱器為400 mm×300 mm×40 mm的長方體結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際尺寸建立其等比例幾何模型，IGBT模塊仿真模型如圖2所示，散熱器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 IGBT模塊仿真模型Fig.2 Simulation model of IGBT module

圖3 水冷散熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of water-cooling radiator

考慮仿真計算復雜程度，對幾何模型進行簡化。鍵合線對功率模塊溫度分布影響較小[17]，因此在建立有限元模型時可將其忽略。IGBT芯片為整個模塊的熱源，熱量經(jīng)焊料層向下傳遞，在劃分網(wǎng)格時，對芯片層、焊料層進行精細網(wǎng)格劃分，對其他部分采用標準劃分尺寸。

由焊接式IGBT封裝結(jié)構(gòu)圖可知，模塊各層由不同的材料封裝而成，通過查閱相關(guān)資料來確定各層材料屬性，如表1所示。溫度對硅材料的導熱系數(shù)、熱容的影響較明顯，在數(shù)值模擬計算時需要考慮因溫度變化而引起的材料屬性的變化（具體函數(shù)關(guān)系見表1）。

表1 IGBT各層材料屬性Tab.1 Material properties of each layer of IGBT

2.3 IGBT模塊邊界條件

溫度場邊界條件：在仿真計算時，把芯片作為熱源，直接在芯片上加載功率損耗模擬芯片的發(fā)熱。當器件處于長期導通狀態(tài)時，模塊總功率損耗將由IGBT芯片的通態(tài)損耗組成，通過功率損耗計算公式，計算出平均功率損耗為3.08 kW；環(huán)境溫度取25℃，散熱器表面與空氣之間的對流換熱系數(shù)為5 W·（m2·℃）-1。

流場邊界條件：假設(shè)散熱器中冷卻水為連續(xù)不可壓縮液體，其性質(zhì)為恒值，冷卻水與散熱器管道接觸邊界各處的流速均為零，出口邊界條件指定為充分發(fā)展流動，進水口水溫為25℃，水流速度設(shè)置為1 m·s-1。

3 仿真結(jié)果分析

對含散熱結(jié)構(gòu)IGBT模塊的流場溫度場的耦合計算后，經(jīng)有限元分析軟件后處理，可以得到含散熱結(jié)構(gòu)的IGBT模塊各部分溫度場分布的情況，求得的最終結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 含散熱結(jié)構(gòu)的IGBT模塊整體溫度分布Fig.4 Temperature distribution of IGBT module with heat dissipation structure

圖5 水冷散熱器溫度分布Fig.5 Temperature distribution of water-cooling radiator

圖6 散熱器流體溫度分布Fig.6 Temperature distribution of fluid in radiator

由圖4可知，IGBT芯片作為熱源，熱量從上往下、從中間向四周擴散傳播；芯片的最高溫度為129.18℃，小于IGBT工作的極限溫度。

由圖5可知，熱源主要集中在中間區(qū)域，熱量向周圍擴散，中間區(qū)域溫度最高為84.6℃。

由圖6可知，隨著水的流動，水溫會逐漸升高，但流向出口時會略微降低，在熱源附近達到最高為43.9℃，出水口溫度為40.1℃。

4 IGBT模塊溫升試驗

搭建的IGBT溫升測試平臺基本構(gòu)成如圖7所示，主要包括電源系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、溫度系數(shù)測試系統(tǒng)、監(jiān)測與控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。監(jiān)測與控制系統(tǒng)可以結(jié)合下位機來實現(xiàn)各個系統(tǒng)間的通信和控制，以實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的自動采集，同時還能保證測試設(shè)備穩(wěn)定可靠的運行。

圖7 IGBT模塊溫升測試平臺基本構(gòu)成Fig.7 Basic composition of IGBT module temperature rise test platform

由于IGBT芯片封裝在模塊內(nèi)部，直接測量其結(jié)溫難以實現(xiàn)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當給IGBT模塊通入小電流時，其飽和壓降與結(jié)溫表現(xiàn)出一定的規(guī)律，兩者之間呈線性關(guān)系[18]，關(guān)系圖如圖8所示。因此，溫升測試中結(jié)溫的測量可采用小電流下飽和壓降法進行推導[19]。

圖8 小電流測量下IGBT導通壓降與結(jié)溫關(guān)系圖Fig.8 Relationship between IGBT turn-on voltage drop and temperature under low current measurement

在進行溫度系數(shù)測試時，隨機選擇兩個IGBT模塊放入恒溫箱內(nèi)，測量電流取100 mA，測試溫度從30～150℃每隔20℃，保持45分鐘，測量不同結(jié)溫、小電流下的UCE的值，得出結(jié)溫與UCE兩者的關(guān)系式。經(jīng)過多次測量取平均值，計算后溫度系數(shù)為-2.28 mV/℃，結(jié)溫壓降關(guān)系式截距為0.512 79。

計算出結(jié)溫與導通壓降關(guān)系式之后，將IGBT模塊安裝在溫升測試系統(tǒng)中的試驗工位上，如圖9所示，并在上位機中設(shè)置試驗參數(shù)，具體數(shù)值為：加熱時間30 s，冷卻時間30 s，測試電流100 mA，環(huán)境溫度25℃，溫度系數(shù)-2.28 mV/℃，UGE=15 V。然后開始溫升測試。

實驗時，選取室溫下的純水為冷卻介質(zhì)，在兩種不同的工況下進行溫升測試實驗。工況①：不同電流梯度下IGBT模塊溫度測試。實驗時加載電流設(shè)定范圍為100～800 A，電流變化梯度為100 A；進水口流速為1 m/s，水溫為25℃。工況②：不同進水口流速下IGBT模塊溫度測試。實驗時設(shè)定電流為800 A，進水口流速的范圍為1～2 m/s，進水口流速變化梯度為0.2 m/s，水溫為25℃。以上實驗中，每組數(shù)據(jù)測試10次取平均值。

5 仿真與實驗對比分析

IGBT模塊溫度測試實驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果對比如圖10和圖11所示。由圖10可以看出，隨著電流的增大，仿真溫度和實驗溫度的差值越來越大，但不同電流下的IGBT模塊實驗結(jié)溫與仿真結(jié)溫的誤差為5%左右，屬于正常誤差范圍，實驗結(jié)溫與仿真結(jié)溫相比較高；由圖11可以看出，不同進水口流速下的IGBT模塊實驗結(jié)溫與仿真結(jié)溫的誤差為4%左右，且進水口流速越大，IGBT模塊結(jié)溫越低，散熱器散熱效果更明顯。

圖10 不同電流梯度下IGBT模塊溫度Fig.10 IGBT module temperature under different current gradients

圖11 不同進水口流速IGBT模塊溫度Fig.11 IGBT module temperature under different water inlet flow rate

6 散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

散熱器管道結(jié)構(gòu)的不同將會直接影響流體在管道內(nèi)的流動狀態(tài)，會改變流體流速的大小和速度場分布，進而對散熱器的散熱效果產(chǎn)生影響。因此，對管道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計可以提高散熱效率。在保證管道截面積不變的條件下，將圓形管道結(jié)構(gòu)設(shè)計成長方形結(jié)構(gòu)并對整個模塊進行流場-溫度場耦合計算，從結(jié)果中讀取IGBT模塊的最高結(jié)溫為125.77℃，雖小于圓形結(jié)構(gòu)的129.18℃，但效果提升并不明顯。因此，進一步對長方形管道做了兩種不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，一種是把管道截面由長方形改成凹凸形；另一種是在管道兩側(cè)增加擾流擋板，優(yōu)化后的管道結(jié)構(gòu)如圖12所示。在對散熱器管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程中，為了能夠準確地分析不同管道結(jié)構(gòu)對IGBT模塊溫度場分布的影響，需要保持管道結(jié)構(gòu)的長度和截面積不變。設(shè)計完成后，基于不同的管道結(jié)構(gòu)對整個IGBT模塊進行耦合場數(shù)值計算，其他條件不改變，得出不同進水口流速下IGBT模塊最高結(jié)溫如圖13所示。

圖12 優(yōu)化設(shè)計后的管道結(jié)構(gòu)Fig.12 Optimized design of pipeline structure

圖13 各管道結(jié)構(gòu)不同進水口流速IGBT模塊溫度Fig.13 The temperature of the IGBT module with different inlet flow rate for each pipeline structure

由圖13可以看出，在進水口流速為1 m/s時，凹凸形結(jié)構(gòu)和擾流結(jié)構(gòu)下IGBT模塊的最高結(jié)溫分別為118.46℃和121.48℃，說明經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的散熱器散熱效率提升明顯；隨著進水口流速的增加，IGBT模塊的最高結(jié)溫會隨之降低，但當流速大于3.5 m/s時，散熱效果提升并不明顯，考慮實際使用成本，最佳進水口流速應在3.5 m/s左右。

7 結(jié)論

通過對含散熱結(jié)構(gòu)IGBT模塊的流場溫度場的耦合計算和溫升測試，可以得出以下結(jié)論：

1）采用有限元仿真軟件對含散熱結(jié)構(gòu)的IGBT模塊進行數(shù)值計算，仿真結(jié)果能夠直觀體現(xiàn)流體流動的情況和溫度分布情況，可以為散熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

2）基于耦合場數(shù)值計算的結(jié)果能夠說明流體可以帶走大功率電子器件工作時產(chǎn)生的熱量，讓器件工作時的結(jié)溫處于允許范圍內(nèi)。采用水冷散熱器能夠提高器件的可靠性和安全性，且進水口流速越大，散熱效果愈加明顯。

3）由仿真結(jié)果和實驗結(jié)果對比分析可知，溫度變化基本一致，其誤差在正常范圍內(nèi)，驗證了理論分析和仿真計算的正確性。

4）水冷散熱器主要是通過對流換熱來實現(xiàn)對大功率電子器件的散熱，換熱面的傳熱面積和形狀以及流體介質(zhì)和流動情況是影響對流換熱的主要因素。因此，在優(yōu)化設(shè)計散熱器結(jié)構(gòu)時可以考慮增大傳熱面積、改進換熱面形狀和增強擾流強度，如散熱管道可以采用叉排結(jié)構(gòu)來增強散熱效果。