案例-基于FLUENT的散热仿真分析

绝缘栅双极晶体管 (InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)作为新能源电动汽车电驱动系统中的核心器件,IGBT的结温是决定功率控制器性能和可靠性的关键因素。随着社会对新能源电动汽车动力需求的不断升高,致使功率控制器的工作功率也在不断增大,继而导致IGBT的工作电流和工作功率不断加大,IGBT模块中的晶体管产生更多的热量，研究对象就是它！

本案例最大的贡献就是给小白仿真步骤提供了借鉴，以及怎么进行对比分析，对比哪些东西，其实本案例应该多做一些正交实验，不过估计为了完成任务，或者不愿意分享更多深入知识，大家自己做研究时候有时间的话建议多深入。

1  散热方式选取与散热器设计

1.1 散热方式选取

大功率电力电子元器件的散热方式主要有空冷、液冷和相变冷却等。风冷有散热成本比较低的优点,但也有散热效率较低和较大的噪声污染的缺点。伴随着电力电子元器件功率的持续升高,功率控制器很多都开始使用液冷作为主要的散热方式,达到提高整体系统的散热能力的目的。

针对新能源电动汽车功率控制器中的富士电机7MBR15NF120IGBT模块进行研究,如图1所示。用ANSYS有限元分析软件对功率控制器IGBT模块的传热性能和功率损耗等特性进行仿真分析,对影响功率控制器散热性能的冷却液水流通道、进水口流速和扰流柱布置形式等因素进行分析。

图1 富士电机7MBR15NF120型IGBT 模块

1.2 散热器设计

设计的两种冷却水道结构的IGBT模块散热器中,方案1为叉排结构,如图2所示。在IGBT功率模块底部设置冷却水回路,设计有供冷却液流通的进口和出口,均布置在IGBT芯片群宽度方向的正中间位置。为增大散热针柱与冷却液之间的接触面积,通过叉排分布圆形针柱。在散热器前半部分,针柱分布相对稀疏;在散热器后半部分,针柱分布相对密集。前后部分针柱与冷却介质接触面积的不同,导致后半部分针柱散热能力高于前半部分,从而减弱冷却液温升对散热效果的影响,使IGBT模块结温分布相对均匀。

图2 IGBT 模块叉排结构模型

IGBT散热器设计方案2为S形结构,如图3所示。根据电机功率控制器IGBT模块中发热源的具体 位置,设计S形冷却水道结构。S形水流通道始末位置处设置冷却液进、出口。在冷却液水流通道中设置的扰流柱位于IGB 芯片正下方位置,即可增大散热面积,又因扰流柱的针对性布置可减小压降损失,减少系统能耗。

图3 IGBT 模块S形结构模型

2 仿真理论基础及功率损耗分析

2.1 仿真理论基础

从传热机理上分析,IGBT功率模块内部芯片产生的热量,通过热传导的方式经散热基板传递给冷却介质,在外部强制对流作用下将冷却介质携带的热量传递出去,从而实现IGBT功率模块温度稳定。

如图4所示,散热器安装在IGBT模块正下方,在功率控制器工作过程中,IGBT 模块热量从IGBT芯片发热源依次传递至焊层、DCB、焊层、基板、导热硅脂、散热器、冷却液,散热过程可简化为热量由IGBT芯片到散热器之间的导热过程、散热器固体之间的热量传递过程、散热器固体到冷却液之间的对流换热三大部分。

图4 IGBT 模块封装结构图

计算雷诺数，Re=23885.1,因此判定散热器中冷却液的流动状态属于湍流状态。

2.2 功率损耗分析

软件模拟中,功率控制器中IGBT模块的损耗分为IGBT芯片损耗和FWD芯片损耗两部分,计算出功率模块的损耗是进行散热设计与模拟的必备条件。IGBT模块的热损耗Pz主要包括IGBT芯片的通态损耗Pit、开关损耗Pik和 FWD芯片的正向导通损耗Pft、开关损耗Pfk四部分。

依据上述损耗计算公式,按照额定工程运行情况,即在IGBT芯片额定电压1200V和额定电流15A,FWD芯片额定电压1200V和额定电流10A情况下,查找富士电机器件信息手册进行功率损耗计算,得到IGBT模块的整体热量损耗是2730W,FWD模块的整体热量损耗750、360W。

3 数值模拟

3.1 参数设置

使用FLUENT进行模拟计算中,选取冷却液流动状态为湍流,网格划分选择适用于湍流状态仿真的多面体网格划分,湍流模型选择k-epsilonRealizable模型,壁面函数选择为可扩展壁面函数,C2-Epsilon为1.9,TKE-PrandtlNumber为1.00,TDRPrandtlNumber为1.20,EnergyPrandtlNumber为 0.85,WallPrandtl-Number为0.85。

针对控制器散热系统结构特点,通过改变冷却液流动通道、扰流柱分布位置、扰流柱直径混用等因素,设置多种网格单元尺寸进行网格无关性验证见表1。

表1 网格单元尺寸加密细化

设置模型结构的整体网格尺寸为1.0mm;芯片模型、水流通道进行网格加密以提高网格质量,网格尺寸设置为0.5mm,膨胀层设置为6层,网格整体划分如图5所示。

图5 模型网格划分

散热器的冷却方式选用水冷散热,选取液态水作为冷却液,散热器水流进口温度设置为25.0℃,环境温度设置为25.0 ℃,进口流速为3.000m/s,出口设置为压力出口,压力设为101325Pa,导热数0.6W/(m·k),比热容为4182J/(kg·K),密度为998.2kg/m3。因对比两种不同结构的散热器散热性能,本着仿真模拟、对比性显著的想法,芯片选用Si材料,基板选用Cu材料,散热器选用铝合金材料,选用材料具体各参数见表2。

表2 IGBT 模块结构材料及参数

3.2 仿真模拟分析

通过三维软件 Solidworks进行散热器的简化模型建模,将建模数据导入到 Workbench进行多面体网格划分,再通过设置FLUENT仿真参数进行软件模拟,然后采用CFD-Post软件对模拟结果进行后处理,得到两种模型的温度梯形图、压力云图以及流体流速图,如图6~8所示。

图6 不同散热结构模型下控制器稳态整体温度及分布

从图6可见,新能源电动汽车功率控制器的发热源主要集中在IGBT芯片和 FWD芯片两部分,芯片产生的热量由上至下和由芯片中心向四周散发。在两种不同散热器仿真中,功率控制器模块上温度最高点都位于IGBT芯片上。采用叉排形散热器进行散热,模块整体最高温度为133.0 ℃。各个IGBT芯片温度分布较均匀,最低温度为101.0 ℃,均温为116.5 ℃;FWD芯片最高温度为89.7℃,最低温度为61.3℃,均温为72.8 ℃。采用S形散热器进行散热,模块最高温度为117.0 ℃。IGBT芯片最低温度为90.2 ℃,均温为93.2 ℃;FWD 芯片最高温度为94.6 ℃,最低温度为62.9 ℃,均温为77.2 ℃。

对比图6(a)和(b),虽然叉排形散热器上各个IGBT芯片温度分布比S形散热器温度分布更均匀,但是对于功率控制器整体温度分布,S形散热器结构布置相较于叉排形散热器散热效率较高,温度分布更均匀。通过分析可以看出,改变IGBT芯片和FWD芯片具体 位置的扰流柱直径与布置情况,可以有效提高对于功率控制器模块的散热效果,达到对于具体发热源的针对性、高效性降温目的。

图7 不同散热结构模型下控制器稳态整体压力及分布

从图7可见,冷却液的流动阻力从进口到出口呈现出阶梯式的下降趋势,最大压力出现在冷却液进口流通扩散部分,冷却液出口处压力最小。S形散热结构整体均匀压力为12012.3Pa,进口处为45564.3Pa,出口处为-62.8Pa;叉排散热结构整体均匀压力为5292.6Pa,进口处为12062.8Pa,口处为-37.3Pa。在进水口冷却液流量和流速一致的条件下,S形结构散热器的进口处与出口处的冷却液压降大于叉排形结构散热器的进出口冷却液压降。

从图8可见,扰流柱在散热器散热过程中不仅具备增大散热器固体与冷却液流体之间散热面积的作用,还具备对于冷却液流动状态的扰流作用。从图8中可以看出,S形结构散热器出口流速为2.840m/s,流道平均流速为3.600m/s;叉排形散热器出口流速为2.830m/s,流道平均流速为1.300m/s。对于IGBT 模块特定的叉排形结构散热器因为水流通道与扰流柱的作用,在散热器进口处的水流通道没有被冷却液完全流通覆盖。S形结构散热器因为扰流柱只分布在发热源芯片正下方,在水流通道其余部分没有布置扰流柱,从而使冷却液在水流通道中的整体流速相对于叉排形散热器中的流速相对较高,提高散热器对整体模块的散热效率。

图8 不同散热结构模型下散热器整体流速及分布

4 结 论

通过改变水流通道结构、扰流柱散热面积及分布位置,进行了不同散热结构的对比,利用散热器固体与冷却液流体之间的传热来达到降低功率控制器结温的效果。冷却液在散热过程中的流动状态以湍流形式为主,基于仿真模拟温度场和流场的耦合结果,得出在进行散热器设计时通过改变扰流柱直径加大散热面积、改变扰流柱分布位置及优化水流通道对于整体模块的散热效果具有重要影响。S形结构散热器相对叉排形结构散热器,散热效果更好。

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