直槽道形式水冷板內(nèi)部流動狀態(tài)的對比研究

直槽道形式水冷板內(nèi)部流動狀態(tài)的對比研究

0熱阻的計(jì)算方法近年來，交流電氣汽車主變流器已進(jìn)入大型冷水冷能源技術(shù)和主輔助一體化集成技術(shù)的方向。IGBT模塊是主變流器的核心部件,計(jì)算IGBT損耗、結(jié)溫紋波、IGBT元件溫度,分析水冷板冷卻性能是很有必要的。IGBT損耗可以通過元器件廠商提供的仿真工具(如:英飛凌公司的IPOSIM、三菱公司的Melcosim等)進(jìn)行計(jì)算,其主要基于正弦輸出電流條件下IGBT和續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗,計(jì)算結(jié)溫則需要知道環(huán)境溫度和水冷板的熱阻。而目前水冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大部分是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),通過試驗(yàn)來評價(jià)冷卻性能時(shí),受到時(shí)間長、成本高、試驗(yàn)條件有限、試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等因素的影響,得到的水冷板熱阻值準(zhǔn)確度不高。CFD(計(jì)算流體力學(xué))是近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法的發(fā)展而得到更加廣泛應(yīng)用的一種分析方法,能更簡便、更快速、更直觀地得到計(jì)算結(jié)果。文獻(xiàn)等利用有限元軟件ANSYS計(jì)算了水冷散熱器的溫度分布,但是均假設(shè)為均勻分布的熱源,沒有對元件進(jìn)行詳細(xì)建模。本文利用FLUENT軟件對比分析了均布熱源方式與IGBT元件精確建模方式的結(jié)果,并對流動狀態(tài)進(jìn)行了探討,可為IGBT水冷板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。1igbt材料在一個(gè)IGBT模塊里,數(shù)個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(IGBT芯片和二極管芯片)被集成在一塊共同的底板上。這些芯片的底面被焊接于(或被粘貼于)一塊絕緣基片的金屬化表面。該絕緣基片的作用是在保證良好導(dǎo)熱性能的同時(shí)還提供了相對于模塊底板的電氣絕緣。芯片的上表面被金屬化,它的電氣連接可以采用細(xì)的鋁制鍵合線用鍵合的方式來實(shí)現(xiàn)。常用的基片有:直接銅熔結(jié)DCB(DirectCopperBonding)、主動金屬釬焊AMB(ActiveMetalBrazing)、絕緣金屬基片IMS(InsulatedMetalSubstrate)、多層絕緣金屬基片(Multilayer-IMS)和厚膜銅TFC(ThickFilmCopper)等。常用的絕緣材料有:氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)、四氮化三硅(Si3N4)、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺等。圖1是某IGBT模塊截面的示意圖,圖2是190mm×140mm尺寸IGBT模塊的內(nèi)部構(gòu)造,包含了24個(gè)13mm×13mmIGBT芯片和12個(gè)13mm×13mm二極管芯片,底板尺寸為187mm×137mm。表1列出了IGBT模塊內(nèi)幾種材料的熱性能參數(shù)。值得注意的是,不同元器件廠商提供的材料參數(shù)會略有區(qū)別。2模擬模型2.1igbt單元的熱阻仿真變流器模塊采用模塊化結(jié)構(gòu)、快速管路連接、低感母排技術(shù)和輕量化設(shè)計(jì),將電容器、低感母排、控制盒、水冷板、IGBT元件等集成在一起,便于安裝和維護(hù)更換。圖3是某變流器模塊采用的水冷板示意圖,水冷板上安裝了6個(gè)IGBT模塊,由IPOSIM軟件可確定每個(gè)元件耗散2kW熱量,熱量通過IGBT模塊的底板和涂抹的導(dǎo)熱硅脂傳導(dǎo)到水冷板。水-乙二醇混合物從入口進(jìn)入,在數(shù)個(gè)截面為2.5mm×14.5mm的直槽道內(nèi)流動,帶走熱量,從出口流出。在大功率變流器設(shè)計(jì)中,不能忽略功率端子和芯片之間連線所引起的損耗,它會對IGBT殼溫有一定的影響。盡管它的部分損耗能夠通過功率端子散發(fā)出去,IPOSIM軟件認(rèn)為所有連線的損耗是通過IGBT模塊的底板散熱的,本文的仿真也采用這樣的假設(shè)。方案1取每個(gè)IGBT元件2kW的損耗均布在187mm×137mm的底板上。從圖2可看出,芯片和銅層分布在中間區(qū)域,兩側(cè)的孔用于螺栓與水冷板的緊固,熱量將主要從中間區(qū)域散發(fā)出去,因此,方案2取181mm×110mm均布熱源。方案1、2未考慮接觸熱阻的影響。方案3選擇對IGBT進(jìn)行詳細(xì)建模,構(gòu)建了芯片、焊料、銅層、AlN、AlSiC底板,并賦予相應(yīng)的材料參數(shù),封裝用的絕緣材料則沒有考慮。IGBT模塊底板上均勻涂抹了導(dǎo)熱硅脂,與水冷板之間的接觸熱阻為9K/kW。2kW熱量作為均勻體積熱源分布在芯片上。2.2層流和湍流模型水的冰點(diǎn)為零度,為保證水冷系統(tǒng)在-25℃的低溫條件下能正常工作,選擇了水和乙二醇的混合物(各含50%)作為冷卻液。圖4是水-乙二醇混合物在-37~70℃的特性曲線圖。冷卻液入口溫度55℃,流量為30L/min?？沙醪焦浪愠龈鱾€(gè)槽道內(nèi)的平均流速為1.061m/s。槽道當(dāng)量直徑計(jì)算公式為式中:a、b分別為槽道的寬度和高度。Re數(shù)的計(jì)算公式為式中:ρ為流體密度,kg/m-3;u為流場中的特征速度,m/s;η為流體的動力粘度,N·s/m2。由計(jì)算可知de=4.26mm,Re=2780。就管槽內(nèi)的流動狀態(tài)而言,有層流和湍流之分,其分界點(diǎn)的臨界雷諾數(shù)Rec=2300。雷諾數(shù)大于10000后為旺盛湍流區(qū),而一般認(rèn)為2300<Re<10000的范圍為過渡區(qū)。由于各槽道的阻力不同,流速不一,層流和湍流狀態(tài)不能一概而定。因此,需要對比研究層流和湍流情況下的計(jì)算結(jié)果。本文選擇了以下幾種常用湍流模型:①Spalart-Allmaras單方程模型是從經(jīng)驗(yàn)和量綱分析出發(fā),由針對簡單流動再逐漸補(bǔ)充發(fā)展而適用于帶有層流流動的固壁湍流流動的單方程模型。②標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型需要求解湍流脈動動能k及其耗散率ε方程。湍流脈動動能輸運(yùn)方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到,但耗散率方程是通過物理推導(dǎo),數(shù)學(xué)上模擬得到的。該模型假設(shè)流動為完全湍流,分子粘性的影響可以忽略。因此,標(biāo)準(zhǔn)k-ε只適合完全湍流的流動過程模擬。③重整化群(renormalizationgroup,RNG)k-ε模型是將非穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程作Gauss統(tǒng)計(jì)展開,并用對脈動頻譜的波段數(shù)作濾波的方法推導(dǎo)出來的模型。與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型有相似的形式,但模型常數(shù)不同,而且方程中出現(xiàn)了新的函數(shù)。④可實(shí)現(xiàn)k-ε模型是為了避免標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型處理時(shí)均應(yīng)變率特別大時(shí),出現(xiàn)負(fù)的正應(yīng)力的不正確情況。可實(shí)現(xiàn)k-ε模型的k方程與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和RNGk-ε模型有相同的形式,只是模型參數(shù)不同,ε方程則有較大不同?？紤]到槽道的寬度為2.5mm,為了能準(zhǔn)確地捕捉流場信息,需要在該尺度上劃分足夠數(shù)量的網(wǎng)格。結(jié)合IGBT模塊各層材料的厚度和整個(gè)模型的復(fù)雜程度,流體區(qū)域的網(wǎng)格尺寸取0.5mm。為了控制網(wǎng)格數(shù)量,減少計(jì)算機(jī)資源,水冷板的固體區(qū)域網(wǎng)格尺寸逐步擴(kuò)大至1mm。整個(gè)模型的網(wǎng)格劃分由高質(zhì)量的六面體單元和極少量的五面體單元組成,網(wǎng)格數(shù)量為1256萬。圖5和圖6分別是IGBT模塊和流體區(qū)域的網(wǎng)格。3計(jì)算與分析3.1槽道流速特征圖7和圖8分別是層流模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的中間面流速分布,可以看出水-乙二醇混合物在槽道內(nèi)和轉(zhuǎn)折區(qū)域的流動情況。層流模型情況下,轉(zhuǎn)折區(qū)域圓角處的流速很小,存在一些旋渦。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型情況下,轉(zhuǎn)折區(qū)域圓角處的流速則大一些,且各槽道的流速要均勻一些,但具體的流速值難以在云圖中清楚體現(xiàn)出來。水冷板共有78個(gè)直槽道,第1號槽道在入口側(cè)的最外道,第78號槽道在出口側(cè)的最外道。為了清楚描述各槽道內(nèi)的流速,圖9和圖10分別是層流模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的槽道平均流速分布。層流模型情況下,第19號和第58號槽道的平均流速最高,可達(dá)1.485m/s,Re=3890,而第47號槽道的平均流速最低,為0.28m/s,Re=733。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型情況下,第58號槽道的平均流速最高,為1.36m/s,Re=3560,第47號槽道的平均流速最低,為0.594m/s,Re=1556。圖11是層流和4種湍流模型的壓降對比曲線,層流模型的壓降最小,為22.1kPa,標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是基于完全湍流的假設(shè),壓降要高于其他幾種湍流模型。3.2熱阻測量結(jié)果分析圖12是層流和4種湍流模型的溫度對比結(jié)果。可以看出4種湍流模型的溫度基本一致,均小于相應(yīng)層流模型的溫度。IGBT元件的溫度高于水冷板的IGBT元件安裝面上的溫度,181mm×110mm均布熱源方案的溫度高于187mm×137mm均布熱源方案。由于層流時(shí)流體微團(tuán)沿著主流方向作有規(guī)則的分層流動,而湍流時(shí)流體各部分之間發(fā)生劇烈的混合,在熱源方案相同時(shí)湍流換熱的強(qiáng)度比層流強(qiáng)烈。55~70℃之間冷卻液的物性參數(shù)變化不大,所以流場對溫度場有很大的影響,而溫度場對流場的反作用要小得多。由于每個(gè)槽道的平均流速不一,雷諾數(shù)不同,不能簡單地將槽道內(nèi)的流動狀態(tài)定性為層流或湍流。層流模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是分析流動狀態(tài)的2種典型模型,因此,綜合考慮層流模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的溫度分布,直槽道形式水冷板的冷卻性能取兩者之間的值更為合理。圖13是層流模型(左側(cè))和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型(右側(cè))的溫度對比。相同熱源方案的層流模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的溫度分布有較大差異,層流模型的最高溫度比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型高5~7℃。方案1將熱量均勻分布的面積是方案2的1.287倍,最高溫度比方案2低3℃左右。方案3的IGBT元件安裝面的最高溫度比方案1高出9℃左右。因此,用3種方案的分析結(jié)果評估水冷板的傳熱性能時(shí),方案1的熱阻值最小,方案3的熱阻值最大。圖14是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型時(shí),各IGBT元件底部的溫度分布?？梢钥闯龈鱅GBT元件底部的溫度很不均勻,溫度高的區(qū)域主要集中在187mm×110mm區(qū)域,芯片正下方的元件底部的溫度最高,遠(yuǎn)離芯片的底板兩側(cè)溫度最低,芯片上的熱量主要從IGBT內(nèi)部向芯片正下方的底板傳導(dǎo),向底板兩側(cè)傳導(dǎo)的熱量較少,這說明IGBT模塊的熱阻測量基準(zhǔn)點(diǎn)選在芯片的正下方能更準(zhǔn)確地反映IGBT實(shí)際工況,將測量基準(zhǔn)點(diǎn)選在IGBT模塊的底板側(cè)面,會有較大的誤差。第5、6個(gè)IGBT元件的溫度高于其余4個(gè),熱疲勞壽命要低一些。圖14和圖13(c)相比,IGBT元件底板溫度分布與水冷板上元件安裝位置處的溫度分布有較大的區(qū)別,這是由于IGBT元件與水冷板之間存在接觸熱阻的緣故。為了盡可能降低接觸熱阻,需要在IGBT元件底板上均勻涂抹一層薄的導(dǎo)熱硅脂,安裝時(shí)使用規(guī)定的力矩值擰緊。IGBT元件技術(shù)規(guī)格書中,一般要求芯片結(jié)溫低于125℃,實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)進(jìn)行功率降額,留出一定的安全裕量。該水冷板在實(shí)際使用中出現(xiàn)過幾例IGBT元件熱疲勞現(xiàn)象,表明方案3的仿真結(jié)果具有較高的可信度。為了改善第5、6個(gè)IGBT元件的散熱條件,可以結(jié)合圖9和圖10一起分析。第53、54、77、78號槽道的平均流速都很高,而這些槽道對應(yīng)熱量很少的遠(yuǎn)離芯片的底板兩側(cè)。第69~71號槽道對應(yīng)芯片的正下方,平均流速比較低,因此,適當(dāng)改進(jìn)槽道的尺寸和布局,讓盡量多的冷卻液流經(jīng)IGBT芯片正下方的流道,可以有效降低第5、6個(gè)IGBT元件的芯片溫度,提高各IGBT元件的溫度均勻性。4實(shí)驗(yàn)熱阻測量基準(zhǔn)點(diǎn)選?、賹GBT元件精確建模,可以獲得準(zhǔn)確的溫度分布和IGBT元件內(nèi)部的芯片結(jié)溫,為熱設(shè)計(jì)提供直觀、準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。②每個(gè)槽道的平均流速不一致,雷諾數(shù)不同,不能簡單地將槽道內(nèi)的流動狀態(tài)定性為層流或湍流。為了合理評價(jià)直