大功率IGBT散熱熱管的原理與應(yīng)用

1、大功率IGBT散熱熱管的原理與應(yīng)用大功率IGBT散熱熱管的原理與應(yīng)用作者：微葉科技時間：2015-10-3010:40典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3X（10負(fù)110負(fù)4）Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱段。當(dāng)熱管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放生熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不己，熱量由熱管的一端傳至另一端。熱管在實(shí)現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，包含了以下六個相互關(guān)聯(lián)的主

2、要過程：熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到（液汽）分界面；液體在蒸發(fā)段內(nèi)的（液汽）分界面上蒸發(fā)；蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽.液分界面上凝結(jié)：熱量從（汽-液）分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源：在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。工作原理：1）真空條件下液體的沸點(diǎn)會降低（和高壓鍋原理相反，高壓下沸點(diǎn)升高，低壓下沸點(diǎn)降低）2）相同條件下物質(zhì)潛熱（潛熱：使物體溫度變化并產(chǎn)生相變所需要的熱量）遠(yuǎn)大于顯熱（顯熱：使物質(zhì)溫度發(fā)生變化但是不發(fā)生相變的熱量）3）毛細(xì)管對液體有抽拉作用，熱管內(nèi)部的毛細(xì)管是的液體在汽化之后可以在內(nèi)部形成循環(huán)（無論有沒有

3、重力作用）熱管散熱的優(yōu)勢：1）將IGBT和散熱器分離。減少現(xiàn)場工作的難度，更換單個IGBT相對而言比更換整個模塊方便很多?；蛘咧瞥筛〉腎GBT模塊，這樣更換時不必更換散熱器，操作上更簡便。2）將易損件和非易損件分離。現(xiàn)場條件下，冷卻系統(tǒng)包括風(fēng)扇和散熱器，其實(shí)屬于非易損件，一般來說壽命在2-5年，散熱器本身一般不會損壞。但是IGBT和驅(qū)動板由于有些原因可能由現(xiàn)損壞的情況，一般來說將兩者結(jié)合在一起容易造成元器件使用上的浪費(fèi)，而且增加現(xiàn)場更換或者維護(hù)的難度。所以如果將兩者分開，將可以有效的提高元件的使用效率，同時減少工作量。通過熱管將熱量集中到莫一特定區(qū)域之后再散熱，方便且散熱器的體積可以方便調(diào)節(jié)

4、，不存在限制。3）考慮到水源的問題，水冷系統(tǒng)未必是最優(yōu)的選擇。東部地區(qū)采用水冷的方式可行，但是也要架設(shè)水管或采用定期補(bǔ)水的方式進(jìn)行補(bǔ)水或者架設(shè)水管輸送凈化水；但是西部地區(qū)本來水源較為緊張，采用水冷方式水源是一個比較麻煩的問題。熱管散熱最終還是采用風(fēng)冷而不是水冷。沒有額外的補(bǔ)充需求。4）考慮到莫些地區(qū)晝夜溫差很大，水的熱漲冷縮對于內(nèi)部壓力也是一個問題，設(shè)計上面也有一定難度。廠內(nèi)試驗(yàn)驅(qū)動機(jī)使用情況證明，由于溫差的存在，即便不結(jié)冰的情況下，機(jī)器開始時由于水溫不正常，管道壓力不正常，管道可能在接口處由現(xiàn)問題。水分的減少也會產(chǎn)生這個問題。管道壓力異常將導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)異常，進(jìn)而導(dǎo)致整機(jī)系統(tǒng)可能由現(xiàn)問題。熱管

5、散熱采用的真空技術(shù)，本身對于壓力有較強(qiáng)的抵抗能力，不會對于溫差產(chǎn)生任何反應(yīng)。熱管散熱的問題：1）熱管將熱量導(dǎo)生之后，外部的散熱設(shè)備能否散去巨大的熱量。涉及到熱管導(dǎo)熱的功率上限問題。例如2M直驅(qū)式風(fēng)電變流器的冷卻系統(tǒng)，如果按照97%的效率計算，損耗3%,約60KW,這么巨大的熱量能否直接用風(fēng)扇進(jìn)行散熱。2）由于熱管本身的金屬特性，使得連接方式屬于硬連接而不是軟連接，抗震能力是否存在一定的問題。1.5MW雙饋系統(tǒng)采用風(fēng)冷設(shè)計，現(xiàn)將IGBT固定在散熱器上（牢固，抗震能力強(qiáng)），風(fēng)扇抽風(fēng)吸取熱量，不存在接觸不良的問題；但是如果采用熱管，由于熱管本身的連接問題，抗震能力勢必變差，這樣會影響整體的抗震性能。

6、而且現(xiàn)場拆裝更換存在一定的問題。3）噪音問題由于水冷系統(tǒng)的風(fēng)扇最終是放在外部的，所以其噪音可以忽略，但是熱管導(dǎo)熱的巨大熱量最終還是需要采用風(fēng)冷散熱，結(jié)果結(jié)束在較小的距離下采用風(fēng)扇，結(jié)果就是這個風(fēng)扇將會帶來巨大的噪音問題。4）價格問題和水冷系統(tǒng)的價格相當(dāng)，但是比風(fēng)冷應(yīng)該會貴很多。5）終端散熱依舊采用風(fēng)冷，但是巨大的熱量對于機(jī)房內(nèi)部的溫度是一個巨大的考驗(yàn)，會提高系統(tǒng)溫度。相關(guān)計算：1、熱能密度計算熱管使用于大功率LED,大功率LED的熱能密度可以達(dá)到100W/cm2我們使用的IGBT模塊的封裝Primpacket尺寸為250*89=222.5cm2,損耗在2kw以內(nèi)，所以計算得由單個IGBT的熱能密度小于10W,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LED的熱能密度，也就是說可以使用熱管進(jìn)行散熱。著名科學(xué)家Cotter為熱管學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)，一般稱之為Cotter理論，其中提到了熱管正常工作的必要條件：PcAAPl+APv+APg熱管內(nèi)的流體流動屬于汽-液兩相逆流流動，其中蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段會產(chǎn)生壓力降Pv,冷凝液體從冷凝段流回蒸發(fā)段會產(chǎn)生壓力降Pl,而