螺旋流道水冷IGBT散热器数值模拟及试验研究

第４８卷第２期电力电子技术Ｖ０１．４８，Ｎｏ．２２０１４年２月ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＦｅｂｒｕａｒｙ２０１４螺旋流道水冷ＩＧＢＴ散热器数值模拟及试验研究张新鹏，张广泰，张辉亮，赵盛国（常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏常州２１３０２５）摘要：针对某工程对绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）散热器的使用要求。提出一种螺旋流道结构形式的水冷散热器。根据传热学和流体流动基本理论，并通过正交试验法优化设计散热器的流道结构，利用数值模拟的方法仿真分析散热器的性能．根据仿真结果和使用需求确定最优设计方案。通过样机试制及样机热阻、流阻性能试验测试，对比分析数值模拟与试验测试的结果，证明了数值模拟的准确性，解决了工程中ＩＧＢＴ的散热问题。关键词：散热器；绝缘栅双极型晶体管；螺旋流道；数值模拟中图分类号：ＴＵ８３２．２＇３文献标识码：Ａ文章编号：１０００－－ｌＯＯＸ（２０１４）０２－００７１－０３ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｐｉｒａｌｎｏＷＣｈａｎｎｅｌＷａｔｅｒ－ｃｏｏｌｉｎｇＩＧＢＴＲａｄｉａｔｏｒＺＨＡＮＧＸｉｎ—ｐｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＧｕａｎｇ—ｔａｉ，ＺＨＡＮＧＨｕｉ－ｌｉａｎｇ，ＺＨＡＯＳｈｅｎｇ－ｇｕｏ（ＣｈａｎｇｚｈｏｕＢｏｒｉＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｎｍｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｒｔｔｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０２５，Ｃｈｉｎａ）Ａｌ矧ａ＇ａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｆｏｒｉｎｓｕｌａｔｅｄｇａｔｅｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ）ｒａｄｉａｔｏｒｕｓｅｄｉｎｓｏｍｅｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｐｒｏｊｅｃｔｏｆｓｔａｔｅｇｒｉｄ，ａｓｐｉｒａｌｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｗａｔｅｒ—ｃｏｏｌｉｎｇＩＧＢＴｒａｄｉａｔｏｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ，ｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｉｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｄｅｓｉｇｎ．Ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｒａｄｉａｔｏｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄｗｉｔｈｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｈｉｃｈｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｄｅｓｉｇｎｐｒｏｐｏｓａｌｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅｓａｍ－ｐｉｅｓｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｄｅｓｉｇｎｐｒｏｐｏｓａｌｉｓｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄａｎｄｔｈｅｒａｄｉａｔｏｒ’Ｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｔｅｓｔｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｈｅｔｅｓｔｒｅ－ｓｕｉｔｓｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｄａｔａ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｒｅｈａｂｌｅｆｏｒｄｅｓｉｇｎｉｎｇＩＧＢＴｒａｄｉａｔｏｒａｎｄｔｈｅｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｓｆｏｒＩＧＢＴｉｎｐｒｏｊｅｃｔｓａｒｅｓｏｖｌｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒａｄｉａｔｏｒ；ｉｎｓｕｌａｔｅｄｇａｔｅｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ｓｐｉｒａｌｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ引言机试制及试验测试验证了数值模拟的准确性及产ＩＧＢＴ在柔性直流输电、高压静止无功补偿装品性能的可靠性。２传热及流动分析２．１散热器与水的传热原理功率元件ＩＧＢＴ通过散热器的接触面将运行过程中产生的热量传递到散热器，散热器流道内的冷却水通过与其热交换将热量带走，这其中同时进行了热传导和热对流两个过程【６。７】。热传导是指由于冷却水与散热器直接接触时存在温差而发生的热量传递过程。其基本定律为傅里叶定律，即：ｇ＝一ＡＯｔ／Ｏｘ（１）式中：ｑ为热流密度，即为单位面积的热流量；ＯｔｌＯｘ为温度在此提出一种螺旋流道水冷ＩＧＢＴ散热器，利梯度．即温度在茹方向的变化率；Ａ为散热器与冷却水之间的导热系数。热对流是指冷却水与散热器流道壁面接触时发生的热交换过程，其基本定律为牛顿冷却公式：Ｑ＝“（｝瓦）（２）式中：ａ为对流换热系数；Ａ为换热面积；ｔ为壁面温度；０／／７’为流体温度。７１万方数据１置等电力设备上得到大量应用，其在运行中产生大量的热量，若不能及时带走将会影响电力系统设备运行稳定性和可靠性【１１。随着设备容量的增大．其散热方式由风冷逐渐向水冷发展，内部流道主要有迷宫式和平板式等【２－引，但由于这类结构固有的不足和设计的不合理，导致散热器或热阻较差，或流阻较大，或散热均温性较差【４羽，降低了ＩＧＢＴ的使用寿命．甚至由于散热性能不足导致ＩＧＢＴ过热造成炸裂等事故．同时散热问题也是限制高压电力设备容量的主要因素之一。因此对ＩＧＢＴ散热器的研究是电力电子行业发展的需要。用数值模拟的方法分析散热器的热阻和流阻特性．通过正交试验法优化设计流道结构，并通过样定稿日期：２０１３—１０—２２作者简介：张新鹏（１９８４一），男，河南南阳人，硕士，助理工程师．研究方向为电力电子设备散热。第４８卷第２期２０１４年２月电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶ０１．４８．Ｎｏ．２Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０１４２．２冷却水流动分析假设条件：热量均匀传递到散热器与ＩＧＢＴ的接触面：同时由于散热器向空气热辐射损失的热量相对于水的热交换热量很小，可忽略不计，因此假设散热器与空气的接触面为绝热面。４．２数值模拟结果及分析水冷散热器的另一个重要性能评价指标是流阻，即冷却水经过散热器的压力损失。其流动满足不可压缩粘性流体一元流动的伯努利方程．冷却水流经散热器的水头损失即为散热器的流阻。水头损失包括沿程压力损失和局部压力损失【８】，即：针对正交试验设计方案．对散热器进行固定流量下的流体及传热数值模拟，散热器的热阻Ｒ。和流阻△Ｐ仿真结果见表１，发热功率Ｐ＝２．２ｋＷ。表１散热器性能仿真结果ｈｗ＝ｈｄ－ｈｊ＝Ａ÷·告＋孝｝鲻Ⅱ一２—２（３）ｚｇ式中：ｋ为沿程压力损失：ｈｊ为局部压力损失：Ａ为沿程压力损失系数；口为流道内水的平均流速；ｌ为流道长度；ｄ为管道直径；ｆ为局部压力损失系数。Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｒａｄｉａｔｏｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ３螺旋流道结构正交设计由传热原理分析可知。散热器内壁面与水的换热面积和温差越大，换热效率就越高；而流动分析表明，散热器流道越长，水流速度越快，散热器的流阻就越大。散热器的结构决定流道越长，水流速度越快，换热就越充分，换热效率就越高，同时流阻也越大，因此散热器热阻与流阻性能成反向变化。需通过正交试验法优化设计散热器的流道结构，使散热器的热阻与流阻达到最优平衡。ＩＧＢＴ水冷散热器的螺旋流道结构如图１所示。这种结构影响散热器性能的参数主要包括流道宽度ｂ、深度矗以及流道之间隔层厚度６。方案ｔ。／℃Ｒ蛆，（。Ｃ／ｋＷ）ＡＰ／ｋＰａ从数值模拟的结果可见，散热器ｂ越大，ｈ越大，ＡＰ越小，散热性能越差。根据工程使用需要，在Ｌ＝４Ｌ／ｍｉｎ时要求Ｒ。≤６。Ｃ／ｋＷ，为保证一定散热裕量并满足低流阻的要求，显然方案２为最优，其温度分布和流道压力分布如图２所示。鞫固鬻强国（ａ）散热器温度分布云图（ｂ）压力分布云图图２方案２云图Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍｅ２ｉｎｔｈｅｃｌｏｕｄ４．３样机试制图１散热器流道模型Ｆｉｇ．１Ｒａｄｉａｔｏｒｃｈａｎｎｅｌｍｏｄｅｌ散热器通过本体螺旋槽加工、钎焊、组焊件表面机械加工及表面处理等工序，试制得到散热器样机，再进行了１．５ＭＰａ保持１ｈ的水压耐压试验，无渗漏现象，样机试制成功。４．４样机试验测试利用正交试验法，综合考虑机械加工刀具、流阻、热阻等方面，针对流道的结构参数设计提供了４种方案，列举如下：方案１，ｂ＝６１．５ｍｍ，ｈ＝４ｍｉｌｌ，６＝ｍｍ；方案２，ｂ＝７ｍｍ，ｈ＝４ｍｉｌｌ，８＝２ｍｍ；方案３，ｍｌｎ，＾＝对散热器进行性能试验测试。将不同流量下的测试结果列入表２，其中Ｐ为加热功率。表２散热器样机试验测试数据Ｔａｂｌｅ２Ｒａｄｉａｔｏｒｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｓｔｄａｔａｂ＝８．３ｍｌｎ，ｈ＝３．５ｎｌｌｎ，８＝３５ｍｌｎ，８＝４ｍｍ。ｍｍ；方案４，ｂ＝１０４散热器数值模拟及试验研究４．１边界条件设置根据某工程需求，散热器的进水温度咒边界条件设置为４９℃，压力边界为３５０ｋＰａ；出口流量￡边界条件设置为４Ｌ／ｍｉｎ，出水温度／＇ｏ＝５６．９℃，散热器壁面为无滑移壁面：散热器与ＩＧＢＴ的接触面按ＩＧＢＴ实际发热功率施加平均热流密度条件。７２可见，在Ｌ＝４Ｌ／ｍｉｎ时，散热器和管接头总的流阻测试结果约为１００ｋＰａ，其中管接头及连接水万方数据螺旋流道水冷ＩＧＢＴ散热器数值模拟及试验研究管的流阻为２１ｋＰａ，则散热器流阻为７９ｋＰａ，仿真结果约为７６ｋＰａ，偏差约为３．８％；热阻测试结果为５．９７ｏＣ／ｋＷ，仿真结果为５．４５℃／ｋＷ，偏差约为平衡。试验测试流阻和热阻与数值模拟的偏差分别为３．８％和９％．证明了数值模拟研究方法的可靠性，同时满足了工程使用要求。９％。测试与仿真结果基本一致，验证了散热器设计过程中数值模拟的准确性。根据散热器的设计要求，绘制热阻、流阻曲线如图３所示，在工程使用中可根据热阻曲线确定设计流量。３００２５０２００１５０１００５０Ｏ参考文献【１］葛维春，顾洪群，贺之渊．大连跨海柔性直流输电科技示范工程综述［Ｊ］．东北电力技术，２０１２，３３（２）：１－４．【２】揭贵生，孙驰，汪光森，等．大容量电力电子装置中板式水冷散热器的优化设计［Ｊ】．机械工程学报，２０１０，．＾Ｊ口ｒ／一’——＾～．垫ａ．／’Ｊｒ、１４６（２）：９９－１０５．［３】贺荣，龚曙光，李纯，等．基于Ｆｌｕｅｎｔ的水冷板式散热器数值模拟与试验研究叨．流体机械，２０１０，３８（２）：５７—６０．［４］ＳｕｎＨａｉｇａｎｇ，ＺｈｏｕＬ／（Ｌ／ｍｉｎ）ＢａｓｅｄｏｎＹｏｎｇ．ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎｆｏｒＨｅａｔＳｉｎｋ图３散热器热阻、流阻曲线Ｆｉｇ．３ＲａｄｉａｔｏｒｃｕｒｖｅｓＴｈｅｒｍａｌＡｎａｌｙｓｉｓ［Ａ】．ＩＣＩＭＭ’２０１１［Ｃ］．２０１１：ｏｆｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｆｌｏｗｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ７６７—７７３．【５］郝晓红，胡争光，候琼，等．基于多目标遗传算法的５结论串联通道水冷散热器优化设计【Ｊ］．机械工程学报，２０１３，４９（１０）：１５１—１５５．［６】罗冰洋，黄丽婷，莫易敏，等．大功率ＩＧＢＴ散热器水冷热阻计算【Ｊ】．现代电子技术，２０１３，３６（２）：１６５—１６８。［７】刘衍平，高新霞．大功率电子器件散热系统的数值模拟【Ｊ】．电子器件，２００７，３０（２）：６０８—６１１．［８】支淼川．电力电子设备水冷散热器的数值模拟［Ｄ】．北京：华北电力大学。２０１３．设计的螺旋流道散热器整体结构简单，加工工艺方便。可大大降低生产成本，设计的流道宽度和中间隔层厚度比例为７：２。保证了散热器与盖板钎焊后结构稳固，能够承受高水压，冷热交错式的流道使散热器均温性良好．通过数值模拟优化得到的流道结构尺寸使散热器热阻和流阻达到最佳（上接第７０页）热沉散热功率。可知，在翅片根部开孔可有效提高热沉散热功率。并且随着开孔数增加．热沉的散热功率先上升达到一个极值后再下降。对于热沉试样１有：（１）Ｑ＝Ｑ“＝Ｑ缸式中：Ｑ为热沉散热功率；Ｑｈ，‰为基板、翅片传热功率。由传热学【ｓ】可知，热沉散热应满足：间距对热沉散热功率有显著影响，在一定范围内，翅片间距小，散热功率小。而热沉散热功率随翅片间距的整体变化趋势有待进一步研究；②在翅片根部开孔可有效提高热沉的散热功率，但开孔不宜过多，且需认真考虑最优开孔位置、面积、形状等。参考文献【１】付秋刚．大功率ＬＥＤ路灯散热系统的优化设计【Ｄ】．广州：华南理工大学。２０１１．［２】苏达，王德苗．大功率ＬＥＤ散热封装技术研究【Ｊ］．照明工程学报，２００７，１６（２）：６９—７１．［３］罗小兵，刘胜，江小平，等．基于微喷射流的高功率ＬＥＤ散热方案的数值和实验研究【Ｊ】．中国科学，２００７，３７（９）：１１９４—１２０４．［４］Ｘｉａｎｇ—ｍｉｐｒｏｖｉｎｇｉｎＭ，Ｘｉｎ－ｌｉｎｇＭ，Ｊｉ—ｆｕＬ，ｅｔａ１．ＡＳｔｕｄｙＮａｔｕｒａｌＰｏｗｅｒＣｏｎｖｅｃｔｉｏｎＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒｏｎＱ血＝ＡＴ／［８／（ＡＡ）］＝ＡＴ／Ｒ数；Ａ为翅片面积；Ｒ为翅片内部导热热阻。（２）式中：ＡＴ为总传热温差；艿为传导层厚度；Ａ为热沉导热系因此，随着翅片根部开孔增多，虽然可强化翅片与空气的对流换热，但同时减少了热沉内部热量自热沉底部向热沉顶部传导的面积Ａ，也即增加了热沉内部的传热阻力尺。当开孔增加到一定数量时．热沉内部传热阻力增加的比例将超过翅Ｉｍ—Ｈｅａｔｆｏｒ片根部与空气对流换热增加的比例，从而导致Ｑ岛减少，使总传热量减少，所以开孔不宜过多，并且需认真考虑最优开孔位置、面积、形状、数量。４结论ＳｉｎｋｏｆＨｉｇｈｅｎｃｅｏｎＬＥＤｓ［Ａ］．２０１１ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒ—ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］．２０１ｌ：６８３４－６８３９．［５】曹景富．翅片间距对热沉散热功率的影响研究【Ｊ】．烟台大学学报，２０１２，２５（１）：４４—４７．［６】杨世铭，陶文铨．传热学（第３版）［Ｍ】．北京：高等教育出版社．２０００．７３实验结果与文献中实验结果比较表明：①翅片万方数据螺旋流道水冷IGBT散热器数值模拟及试验研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

张新鹏， 张广泰， 张辉亮， 赵盛国， ZHANG Xin-peng， ZHANG Guang-tai， ZHANG Hui-liang，ZHAO Sheng-guo

常州博瑞电力自动化设备有限公司,江苏常州,213025电力电子技术

Power Electronics2014,48(2)

1.葛维春;顾洪群;贺之渊 大连跨海柔性直流输电科技示范工程综述 2012(02)2.揭贵生;孙驰;汪光森 大容量电力电子装置中板式水冷散热器的优化设计 2010(02)3.贺荣;龚曙光;李纯 基于Fluent的水冷板式散热器数值模拟与试验研究 2010(02)

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引用本文格式：张新鹏.张广泰.张辉亮.赵盛国.ZHANG Xin-peng.ZHANG Guang-tai.ZHANG Hui-liang.ZHAO Sheng-guo 螺旋流道水冷IGBT散热器数值模拟及试验研究[期刊论文]-电力电子技术 2014(2)