電機控制器IGBT模塊水冷散熱設(shè)計

引言

隨著環(huán)境壓力的劇增,加上節(jié)能減排的發(fā)展需求,開發(fā)以純電動汽車為代表的新能源汽車已是大勢所趨。電動汽車電機控制器具有體積小、集成度高、熱流密度大等特點,其主要器件IGBT模塊的損耗產(chǎn)生的熱流密度大多已超過10w/cm2,轉(zhuǎn)化為熱量的損耗若沒有及時被散熱器帶走,積累的熱量將會使控制器的溫度達到100℃以上,這會導(dǎo)致其加速損壞。因此,需要選擇散熱效率高的水冷散熱方式來滿足控制器中IGBT的散熱需求。

本文以電機控制器中IGBT模塊水冷散熱回路為研究對象,應(yīng)用有限元仿真軟件對散熱翅片尺寸、數(shù)量、冷卻水流量對散熱性能的影響進行了仿真模擬,總結(jié)了各主要參數(shù)對散熱性能的影響規(guī)律,其結(jié)論可以為電機控制器IGBT模塊水冷散熱器的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1水冷散熱結(jié)構(gòu)

電機控制器穩(wěn)定運行時,IGBT器件的損耗占機箱內(nèi)發(fā)熱器件總功耗的90%以上,IGBT模塊的散熱效率直接影響了電機控制器整體的散熱效果。如圖l所示,控制器箱體外部底面的水冷回路的位置在安裝于箱體內(nèi)部底面的IGBT模塊下方,IGBT的熱損耗通過其安裝凸臺傳導(dǎo)至水冷回路中的散熱翅片,并通過進、出水管的冷卻水循環(huán)對其進行散熱。

2傳熱與流阻分析

2.1冷卻水傳熱分析

從傳熱機理方面分析,IGBT模塊內(nèi)部芯片產(chǎn)生的熱量通過安裝凸臺傳導(dǎo)至水冷回路中的散熱翅片,流道內(nèi)的冷卻水通過與散熱翅片進行熱交換,從而將熱量帶走。這其中共進行了熱傳導(dǎo)、熱對流兩個傳熱過程。

熱傳導(dǎo)是熱量從溫度較高的IGBT芯片傳至溫度較低的散熱翅片的過程,其基本定律可用傅里葉定律描述:

式中,負號表示熱量向低溫處傳遞:0為熱傳導(dǎo)熱流量:入為材料的導(dǎo)熱系數(shù):A為垂直于導(dǎo)熱方向的截面積:dl/dx為溫度l在x方向的變化率。

熱對流是指循環(huán)流動的冷卻水與散熱翅片壁面接觸時發(fā)生的熱交換過程,其基本定律為牛頓冷卻公式:

式中,0為對流換熱量:h為對流換熱系數(shù):A為有效對流換熱面積:Al為固體表面與冷卻液之間的溫差。

2.2冷卻水流阻分析

流阻是冷卻水流經(jīng)散熱翅片產(chǎn)生的壓力損失,是評價水冷散熱器性能的指標(biāo)之一。冷卻水流經(jīng)散熱回路的水頭損失即為散熱回路的流阻,其流動滿足不可壓縮粘性流體一元流動的伯努利方程。水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失,計算公式為:

式中,hf為沿程水頭損失:hj為局部水頭損失:入為沿程壓力損失系數(shù):,為流道內(nèi)水的平均流速:1為流道長度:d為管道直徑:E為局部壓力損失系數(shù)。

3流道翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計

由水冷散熱回路的傳熱分析與流阻分析可知,散熱翅片與冷卻水的傳熱面積與溫差越大,傳熱效率越高:同時,流道越長,水流速度越快,換熱就越充分,而水冷散熱系統(tǒng)的流阻則會越大:即水冷散熱器的熱阻與流阻性能呈反向變化。水冷散熱器的流道散熱翅片結(jié)構(gòu)如圖2所示,影響水冷散熱器性能的參數(shù)主要包括翅片尺寸w×L、翅片數(shù)量N、進水流量0。通過調(diào)整翅片結(jié)構(gòu)、進水量,可使散熱系統(tǒng)的熱阻與流阻達到最優(yōu)狀態(tài),以獲得最佳散熱效果。

4水冷散熱數(shù)值模擬

4.1幾何模型簡化

根據(jù)水冷散熱系統(tǒng)的三維模型,對其進行簡化。簡化對傳熱影響較小的幾何特征,如螺紋孔、倒圓角、螺釘螺母、密封圈等:將每只IGBT模塊的幾何模型簡化為傳熱基板、IGBT芯片熱源、FRD芯片熱源、器件封裝外殼:將計算模擬區(qū)域包含為IGBT模塊、箱體及水冷回路內(nèi)部流動的冷卻水。

4.2邊界條件設(shè)置

根據(jù)工程應(yīng)用中的工況,將環(huán)境溫度設(shè)置為55℃,冷卻液采用純水,進水溫度設(shè)置為60℃。通過IGBT模塊的工作參數(shù),計算得到一個單元的IGBT損耗為106w,FRD損耗為68w。設(shè)置最大迭代步數(shù)為300步。

4.3數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.3.1散熱翅片數(shù)量對散熱的影響

設(shè)置翅片寬度w為4mm,翅片間x方向的間距為6mm,翅片間y方向的間距為2mm,在冷卻水流量Q=9L/min時,對翅片數(shù)量分別為36、72、108的情況進行仿真模擬。使用Icepak軟件對水冷散熱系統(tǒng)進行模擬仿真,散熱仿真模擬結(jié)果如表1所示。當(dāng)散熱翅片數(shù)量為36時,水冷散熱機箱整體溫度分布云圖如圖3所示,冷卻水在水冷回路中的壓力分布云圖如圖4所示。

通過表1數(shù)值模擬結(jié)果可知,散熱翅片數(shù)量越多,流固接觸面積越大,在流量相同的條件下,冷卻水壓降增大、流速增加,增強了散熱效果。但散熱翅片數(shù)量也不宜過多,過多的翅針一方面會使散熱系統(tǒng)的壓降A(chǔ)P增大,降低水冷系統(tǒng)效率；另一方面也會增加加工工藝難度。

4.3.2散熱翅片寬度對散熱的影響

設(shè)置翅片數(shù)量為108,翅片長度為23mm,翅片間y方向的間距為2mm,在冷卻水流量Q=9L/min時,對不同寬度的翅片冷卻系統(tǒng)進行仿真模擬。散熱仿真結(jié)果如表2所示。

通過表2數(shù)值模擬結(jié)果可知,隨著散熱翅片寬度增大,IGBT結(jié)溫降低,同時,冷卻水壓降增大、流速增加。在散熱翅片寬度為8mm時,冷卻水壓降顯著增大,同時使冷卻循環(huán)水泵能耗隨之上升,綜合IGBT結(jié)溫與冷卻水壓降數(shù)值,散熱翅片的最優(yōu)寬度選擇為6mm。

4.3.3冷卻水流量對散熱的影響

由上述對不同尺寸的翅片仿真模擬結(jié)果分析可知,當(dāng)翅片數(shù)量為108,翅片尺寸為23mm×6mm,翅片間x方向的間距為4mm,翅片間y方向的間距為2mm時,水冷散熱系統(tǒng)具有更好的散熱效果。

在上述參數(shù)下,對不同冷卻水進水流量下的熱源溫度模擬仿真結(jié)果如圖5所示。

由IGBT結(jié)溫與流量關(guān)系曲線可知,隨著冷卻水進水流量的增加,IGBT結(jié)溫逐漸降低,但降低的幅度呈減小趨勢:由冷卻水壓降與流量關(guān)系曲線可知,隨著冷卻水進水流量的增加,壓降呈增大趨勢,且增長幅度呈增大趨勢。綜合分析可見,冷卻水流量過大,會降低水冷散熱系統(tǒng)的冷卻效率。因此,在滿足散熱器壓降條件下,散熱器進水流量為16L/min時,水冷散熱系統(tǒng)具有更好的散熱性能。當(dāng)冷卻水流量為16L/min時,水冷散熱機箱整體溫度分布云圖如圖6所示,冷卻水在水冷回路中的壓力分布云圖如圖7所示。

5結(jié)語

本文通過對電機控制器水冷散熱的傳熱與流阻分析,從影響散熱性能的翅片尺寸、翅片數(shù)量、冷卻水流量三個因素入手,利用散熱仿真軟件對IGBT散熱結(jié)溫與冷卻水壓降進行了仿真模擬,總結(jié)了不同翅片參數(shù)與流量對散熱性能的影響規(guī)律,并得到了電機控制器IGBT水冷散熱系統(tǒng)的最佳散熱效果。在工程應(yīng)用中,同時還需結(jié)合加工工藝、成本、重量等因素綜合考慮,以獲得散熱效果與經(jīng)濟效益。