姬凯;康乐;吴丹;陈叔衡
【摘 要】本文介绍了利用计算流体软件(CDF)Fluent计算大功率水冷散热器热阻和热抗的方法.通过对三维非定常流场和热场的求解,计算出不同流量下水冷散热器的热阻值和热抗值,为大功率变频器稳态和动态过程的温度计算提供了依据. 【期刊名称】《电气技术》
【年(卷),期】2010(000)002
【总页数】3页(P47-49)
【关键词】计算流体 Fluent;水冷散热器;热阻;热抗
【作 者】姬凯;康乐;吴丹;陈叔衡
【作者单位】中船重工武汉船用电力推进装置研究所,武汉,430064;中船重工武汉船用电力推
进装置研究所,武汉,430064;中船重工武汉船用电力推进装置研究所,武汉,430064;中船重工武汉船用电力推进装置研究所,武汉,430064;舰船综合电力技术国防科技重点实验室,武汉,430064
【正文语种】中 文
1 引言
随着半导体技术的飞速发展，高压大电流IGBT逐渐成为现代电力电子设备的核心器件。通常情况下，IGBT工作在非理想的开关状态，因此存在着导通和开关损耗。在大容量电力电子设备中，这些损耗往往都很大，其结果将导致器件的温升很严重，当器件管芯的温度升高到 100℃以上时将严重影响器件的正常工作，甚至永久性损坏，因此器件的散热问题就显得尤为重要。为了提高功率密度，设计者在使用 IGBT模块时通常采用水冷的方式，在实际中往往都是根据设备的结构、强度以及 IGBT模块安装的要求来设计水冷散热器。由于没有统一的标准，散热器的热阻以及热抗的值往往不得而知，这就给计算IGBT模块的节温带来了很大困难，稳态过程（又称定常过程）和非稳态过程（又称非定常过程）。对稳态过程而言，其热阻定义为
其中， T-T0为温升，单位K，P为功耗，单位W。对非稳态过程而言，其热抗定义为
其中， T( t)- T( t0)为t时刻的温升。
当t→∞时，传热过程达到稳态， Zt ( t)→Rt。
大功率水冷散热器通常采用由内部带水路的铜基板组成，其热阻和热抗由铜基板的结构和流过水路的水流量决定。由于铜基板与冷却水之间存在着复杂的湍流换热过程，其本质上是一个涉及到流体流动、流固热交换以及固体热传导等方面问题的流体力学问题，因此要比较准确的计算出散热器的热阻和热抗，可以采用计算流体力学（Computing Fluid
2 热阻热抗的计算方法
根据物体温度与时间的关系，传热过程可分为Dynam ics）的方法进行求解[1]。其步骤如下
（1）利用Gambit对水冷散热器进行物理建模，定义模型中的固体区域与流体区域，并定义固体与流体热交换的区域。
（2）定义散热器的热生成区域。
（3）定义流体的边界条件。
（4）利用Gambit对计算区域进行网格划分，并保存生成的网格文件。
水稻田（5）通过Fluent读取保存的网格文件，设置流体与固体的材料属性、边界条件、热通量等计算必须的参数。
（6）选取非定常计算模式，设定时间步长与时间，开始计算，并保存每步的计算结果。
（7）根据计算结果计算每个时刻散热器的温度T( t)，依（2）式计算散热器的热抗[2-5]。
3 热阻热抗的计算实例
以常用的IGBT封装模式IHM 130×140为例，如果安装在130mm×140mm的水冷散热器上，散热器材料为铜，厚度12mm，内有一条直径8mm的水路[6]。
利用Gambit建立计算模型，定义流体边界为速度进口、流量出口，固体边界条件为热通量边界，并划分网格，网格图如图1所示。
医院新风系统图1 散热器计算网格图
在Fluent中倒入网格文件，设定固体材料属性为copper，流体为water-liquid，速度进口为V=1.0m/s，散热器IGBT安装面热通量为40000 W/m2，初温T0 = 300K 。采用非定常计算模式，时间步长为1s，共计算300步。其计算结果如图2~6所示。
按同样的方法，在相同的边界条件下，分别计算冷却水流速V=0.5m/s，V=1.0m/s，V=2.0m/s时散热器的温度随时间的变化关系，根据式（2）计算对应的热阻和热抗值，绘制成曲线，如图7所示。
图2 t=1s散热器温度分布图，302K=Tmax
图3 t=10s散热器温度分布图，310K=Tmax
图4 t=50s散热器温度分布图，336K=Tmax
图5 t=100s散热器温度分布图， 351K=Tmax
图6 t=200s散热器温度分布图，360K=Tmax
阻燃剂mca
图7 散热器热抗曲线
当t到达100s后，传热过程基本达到稳态，对应的热阻是分别为0.1126K/W（V=0.5m/s）、0.0838 K/W（V=1.0m/s）、0.0577 K/W（V=2.0m/s）。
根据图7的热抗曲线，再结合IGBT生产厂商提供的IGBT器件本身的热抗曲线，根据公式：
可以方便地计算出不同冷却水流量下稳态和动态的结温。
4 结论
利用Gambit和Fluent提供的强大的流体传热计算功能，采用非定常三维仿真计算方法，可以方便的计算出不同几何形状、不同散热介质、不同散热条件下的散热器热阻和热抗，根据计算出的散热器热阻和热抗值就可以比较准确地计算稳态以及过载、故障等动态情况下IGBT模块管芯的节温，从而保证器件可靠安全工作。
电容笔制作参考文献
[1]Fluent 6.2 Tutorial Guide, Fluent Inc.
[2]Advance Thermal Modeling, Fluent Inc.
[3]Gambit 2.3 User Guide, Fluent Inc.
[4]Gambit 2.3 Tutorial Guide, Fluent Inc.
[5]Fluent 6.2 User Guide, Fluent Inc.
[6]Power Electronic Device Application Manual, Sem ikro.
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