大功率IGBT散热器水冷热阻计算

摘要：为了优化水冷散热器散热能力，保障其可靠工作，引用了传热学中的基本原理与公式，以散热器外形的机械尺寸、水的强制对流换热系数和水的导热系数作为参数及变量推导了散热器水冷热阻的计算公式。同时为了满足实际应用，开发了一种专用水冷散热器热阻计算和曲线绘制软件，可以显示热阻随参数变化而变化的各种曲线，也可以直接计算显示热阻值。为散热器的设计中参数的优化选择提供直观方便的参考。
关键词：水冷散热器；热阻计算；软件；大功率IGBT散热器

和谐型电力机车是采用大功率半导体技术的交直交变流型电力机车。由于其具有先进的交流变频调速、再生发电制动、大功率交流电机控制和自动化程度高等技术特点，使其在铁路主干线运输中的高速大功率机车上广泛应用。每台机车的变流器使用了三种IGBT模块，即：四象限斩波器(4QC)模块、电机侧逆变器模块(Inv)和辅助逆变器模块。对某机务段2009年7月到2011年5月4日为止的305台HXD1B电力机车变流器故障进行调研，结果发现，合计共有4 880个模块在使用，出现故障255件次，出故障的IGBT模块显示至少有一个IGBT芯片失效，至今为止还未见除功率半导体器件外的原因造成的模块故障，这种故障随着季节性环境温度的升高而增多。由此推断，IGBT失效与其散热状况密切相关，所以对于电子器件的冷却和数热成为后期研究的重点之一。通过研究器件的冷却和散热问题，对其散热条件进行优化改造，使其能尽量长时间工作在温度适宜的环境下，降低事故发生率，从而对于维护铁路机车安全运行有重要作用。
本文通过对大功率IGBT散热器的散热过程分析，先引用了传热学中的基本原理与公式，将热阻的计算分为散热器内固体传热过程产生的导热热阻以及散热器与冷却液间的传热过程产生的对流换热热阻两部分，以散热器外形的机械尺寸、水的强制对流换热系数和水的导热系数作为参数及变量推导了散热器水冷热阻的计算公式。为了简化分析，编制了用于热阻计算的软件。该软件具有简单清晰的操作界面，可以显示热阻随参数变化而变化的各种曲线，也可以直接计算显示热阻值。为散热器的设计分析提供直观方便的参考。

1 传热学的基本公式和原理
1．1 热传递的原理与基本方式
热传导导热的基本公式为：
Q=KA△T／△L (1)
式中Q代表为热量，也就是热传导所产生或传导的热量；K为材料的热传导系数。△T代表两端的温度差；△L则是两端的距离。对流指的是流体(气体或液体)与固体表面接触，造成流体从固体表面将热带走的热传递方式。
热对流的公式为：
Q=hA△T (2)
式中：Q依旧代表热量，也就是热对流所带走的热量；h为热对流系数值；A为热对流的有效接触面积；△T代表固体表面与区域流体之间的温度差。
1．2 热阻的计算
热阻代表了导热过程中的阻力，它是一种反映阻止热量传递的能力的综合参量。为了简化分析，将散热器模型简化后，认为存在对流换热热阻以及导热热阻两种形式。在散热器的平面板内存在导热热阻。计算公式为：
Rnd=L／KA (3)
式中：L代表散热器平板厚度；K代表板材铝的热导率；A代表垂直热流方向的截面积即平板面积。
散热器内的水与散热片之间的热阻是对流换热热阻。计算公式为：
Rnv=1／hAs (4)
式中：As代表总的有效对流换热面积；h代表对流换热系数，它与努塞尔数有关。根据努塞尔数的计算公式可反推h的计算公式如下：

式中：Nu代表努塞尔数；λf代表流体导热系数；h这里应该是水强制对流导热系数；Dh是表征传热面的几何特征长度，这里代表管道水力直径。
定义散热器的总热阻计算如下：
Rtd=RnvλfB+RndKB (6)
式中：B代表散热器的宽度，其他数值都在前面有所介绍。当散热器外形尺寸固定的情况下，由式(3)可知Rnd为一定值，K与B都为固定值。λf不变，则散热器的总热阻就与Rnv直接相关。下面来看散热器的对流换热热阻。由式(5)，式(6)可得：

由式(7)可以看出，对流换热热阻与Dh成正比，与As成反比。可见不能为了追求循环水量的增加而一味的增大管道水力直径，这样并不能取得很好的冷却效果。减少Rnv则会相应减少散热器总热阻，增强散热效果。将式(3)，式(7)代入式(6)可得总的热阻计算式为：

式中：le代表散热器的长度；λf为水的导热系数，h为水的强制对流换热系数。
1．3 计算实例
一般电子设备散热器采用水冷散热方式时，散热器内部的液体流通方式分为两大种：串联通道和并联通道。如图1所示分别是两种模型的水道截面显示图。其中A模型是串联型水道分布，模型是在每条串联的水道中添加了若干条散热片。B模型是并联的水道只存在直行通道，液体从进水口处到出水口处通过并行的水道流过。