随着近年来电子技术的迅猛发展, 大功率器件和集成电路的使用越来越广泛。功率器件 (如IGBT功率模块) 有着广阔的发展和应用前景。根据著名的“摩尔定律”推算:芯片上的晶体管每18个月翻一番[1]。对于IGBT这种大功率器件, 在其正常工作时, 大功率损耗会产生大量的热从而造成自升温, 如果电源结构设计不当, 那么开关器件所产生的热量将不能及时排出, 开关器件的失效率将随着温度升高而大幅增大[2]。研究资料表明:半导体元件的温度升高10℃, 可靠性降低50%[3]。温度的上升直接影响IGBT的热应力, 严重时还会因温度过高而烧毁开关器件, 直接影响到电源的寿命和可靠性[4]。随着开关电源不断朝着大功率、高频和高功率密度的方向发展, 散热设计已成为影响电源可靠性的一个关键因素[4]。因此, 有必要对IGBT这种大功率器件的散热特性进行测量和分析, 并对其散热器的结构和运行参数等的优化进行研究。
当前流行的热设计软件种类比较多, 主要有ANSYS、FLOTHERM和Icepak。相比之下, FLOTHE-RM和Icepak在这方面显示了专业热分析软件的优越性。两者都具有专业的流体动力学CFD (conputational fluid dynamics) 的求解器, 能够分析各种流体状态, 同时, 它们提供了电子设备热分析中常见的所有组件, 使得电子设备热分析的建模非常简单。Icepak软件除了具有以上优点之外, 由于它所用的求解器为FLUNT求解器, 还具有计算精度高的优点。
图1 IGBT散热器安装示意Fig.1 Configuration of IGBT heat-sink
2.5.1 温度场模拟及分析
2.5.2 流场模拟及分析
2.6 实验验证
在原模型的基础上对散热器几何尺寸及风机进行优化, 通过对各种情况下的散热器热阻的比较, 得出最优几何尺寸及匹配风机。散热器由肋片和基座构成, 主要的几何参数包括肋片长、肋片厚, 肋片数、基座厚、基座宽等。确定散热器优化设计软件采用的Icepak软件, 它采用计算流体动力学求解器, 有限体积法, 非结构化网格可以逼近复杂的几何形状, 同时能实现散热器肋片高度、厚度等几何参数的优化。同时还需要考虑以下几点:安装散热器允许的空间、气流流量和散热器的成本等。
3.2 肋片厚度
3.3 风机风量
由图可以看出, 随着风机风量的增大, 热源中心温度和散热器平均温度均有下降。当风量增加到0.38 m3/s时, 温度下降趋势减缓;风量继续增大, 温度虽仍呈下降趋势但温度变化并不明显;随着风量的增大, 热阻也相应呈降低趋势;但风机风量增加的同时也造成空气流速和噪音的增加。所以不能一味地依靠增加风机风量来提高散热。
最终优化方案如表2所示。按优化方案模拟得到:当环境温度为14.3℃时, 热源中心最高温度为37.4℃, 散热器平均温度为25.2℃;相比优化之前测量的散热器中心最高温度降低了16.6℃。在最不利环境温度45℃条件下, 热源中心最高温度为68.7℃, 散热器平均温度52.9℃;将热源功率增大到500 W, 热流密度达到105 W/m2, 而热源中心最高温度为84.6℃, 散热器平均温度61.4℃, 散热器仍可达到要求, 远远低于IGBT结温 (处于电子设备中实际半导体芯片的最高温度) 最高设计值125℃, 电子器件的可靠性得到了充分保证。
本文分析了大功率热源风冷散热器的肋片高度、风机风量和肋片厚度对散热器热阻的影响, 得到结论以下。
环境温度为14.3℃时, 测试3个IGBT中心的平均温度为54℃, 模拟IGBT中心最高温度为57℃。由于测温探头无法测量到IGBT中心温度, 故测试测量到的结果与模拟结果相比略微偏低, 测试结果与模拟结果误差小于10%, 证明此模型可靠。
散热器热阻表达式为
在散热器优化设计软件中, 其他几何参数和环境条件均保持不变, 分析肋片高度不同时, 散热器热阻和热源中心最高温度的变化, 分析结果如图5所示。
(2) 风机风量越大, 散热器热阻越小, 温度持续降低。风量增大到0.38 m3/s后, 热源中心温度和散热器平均温度呈降低趋势, 但降低趋势逐渐减缓。
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