并联IGBT的散热有限元计算分析及试验研究

　　并联IGBT的散热有限元计算分析及试验研究汤春球，莫易敏（武汉理工大学摩擦学研究所，湖北武汉430070）简化，基于有限元软件ANSYS的模拟计算，求解其散热系统的温度场分布。通过与试验结果进行对比研究，表明计算结果满足工程运用所需的精度要求，可应用于复杂分布功率半导体器件的热分析中。

　　基金项目：郑州铁路局科委科技攻关基金资助项目（100J30）。

　　在电力电子设备中，主要的发热量是由大功率器件产生的，大功率器件的散热是整个电子设备散热的关键。良好的散热条件是大功率半导体器件可靠工作的重要保障，因此散热设计是电力电子设备设计中需要重点关注的技术问题之一。

　　强迫风冷散热方式工作可靠、易于维修保养、成本相对较低，因此在需要散热的电力电子设备冷却系统中被广泛采用，它也是大功率器件采取的主要冷却形式111.在铁路机务部门应用的机车干阻负载试验系统中，采用了全控型电力半导体器件IGBT作为消耗机车主发电机功率的电阻带的主电路开关。

　　由于每条主电路的极限电流可达600A，受散热条件和器件容量限制，采用3块GBT并联运行作为主电路的开关。在机车负载试验过程中，作为主电路的开关元件GBT存在较大的耗散功率，如采取的散热措施不当，可能会缩短元件的使用寿命甚至损坏元件。因此，：GBT散热系统的设计及散热效果的评估非常重要。传统的散热设计计算利用电路分析方法，即应用电路网络表示的热传递方法来处理热设计的问题，虽然比较简单实用，但只能应用于模型简单的场合。随着计算机软件的发展，利用有限元技术计算散热问题已在工程实际中得到普遍应用。其优点是可以对影响热分布的诸多因素121（部件几何尺寸、分布状态、导热材料的传输系数、周围环境等）进行计算机模拟，计算结果通过图形化显示直观的温度场分布，可以高效、高速地应用在精度要求不是很苛刻的产品的热设计中|31.笔者主要针对实际并联运用的GBT散热系统进行计算机仿真计算，以分析GBT散热系统的温度场分布，并对试验数据进行研究，通过试验证明，这种方法可以为工程散热设计提供。

　　1物理模型的建立采用大型工程软件SolidWorks对散热器进行几何建模。建模过程中，考虑到在有限元软件ANSYS中求解计算的方便，对一些不必要的细节如倒角、圆角等予以忽略|4-5.如为散热器几何模型，为IGBT在散热器上的安装方式。其中散热器整体外形尺寸为400mm 50mm.为了在ANSYS中施加载荷，需确定热载荷的边界，而散热器的表面是整体平面，在几何模型设计时通过GBT在散热器的安装位置处向下切除一个深001mm的凹槽，以方便施加热载荷。

　　表2IGBT散热系统在参数电流/AVce/V耗散功率/W单管耗散功率/W热流密度W/m21/c2/C3/C4/C数值14831.通过计算3种工况下GBT散热系统散热器的温度场分布18-9|，可得散热器表面温度场云图，分别如~所示，其高温度分别为66°C、70°C、73°C.实际测量结果与温度场云图的读数对比结果如表3所示。

　　将各点的实际测量值与仿真计算值在不同功率情况下相比较，比较结果如所示。

　　从仿真计算结果和实测对比可得如下结论：根据散热器的几何模型，采用合适的网格划分，选取SOLID70单元建立组件的有限元模型16|，如所示。网格划分时考虑以下原则：①对所关心部分，如器件与散热器的接触部分，划分网格时采用较密网格，以保证计算精度；②对预估温度梯度较大的部位，如IGBT接触处与实际散热器温度测量处附近，采用较密网格，而温度梯度较小的部位，如散热器周边及散热器翅片等大平面处，采用较疏的网格。这样既可保证计算精度，又不至于使模型规模过于庞大，占用较多计算时间。对于计算的边界条件，假设定义如下：不考虑自然对流换热及辐射换热。

　　表1散热器的物理热参数参数数值（2）散热器材质设置为alumhum（铝），其参数如表1所示。

　　散热器的散热方向是散热器的底部翅片处17|，散热器其余方向定义为绝热。

　　散热器的有限元分析采用第二类边界条件，即-人亨=常数，恒热流边界条件，且IO BT底部向散热器传热假设热流密度以均匀分布形式向散热器传热。

　　环境温度为303K，忽略散热器的辐射换热。2试验及仿真结果受GBT布置的影响，利用电子点温计测量散热器表面几个可以方便测量的点，这几个点因离热源相对近，怀疑其是温度较高点。测量点如所示，分别记作f点、2点、3f点和4点。通过机车干阻负载试验，可以分别测量出流过GBT的总电流、GBT的C -E端电压降，并可计算其耗散总功率和单块IGBT的耗散功率热流密度。表2为IGBT散热系统在3种不同工况下各点测得的温度值。

　　ax>ws1肌W3*JM伽。丨丨加扣丨丨7351W时散热器表面温度场云图WDMiSOU/nON 375W时散热器表面温度场云图表3计算结果与实测结果的对比*各测量点实测与计算结果对比图（1）通过计算机仿真计算的值比实际测量的温度值偏大，存在一定的误差。分析认为，主要原因是，在数值计算中忽略了散热器的辐射热的影响，但此仿真结果在实际工程应用中仍然可以作为。

　　在：GBT的散热系统中，并联运行的IOBT之中间的IGBT承受着巨大的热载荷。这是由于此：GBT工作状况恶劣，其散热器底部的对流换热系数小，热量在传输过程中受到其余两只GBT的热耦合，抑制了其热传输通道，也即其热传输热阻较大。

　　从仿真结果来看，IGBT底部的高温度比GBT周边的温度高3°C，以此预测实际的IOBT底部高温度比测量温度高3°C，在精度上可满足实际的一般工程散热应用要求。

　　利用简单热流模型，根据GBT的相关热参数（见1MBI600PX-140富士GBT手册），估算单管GBT的结温在耗散功率为375W工况下GBT结温T=9rC<125°C.如果考虑热阻耦合模型，GBT的结温会比此计算值稍微大一点，即使在南方炎热的夏季环境温度有可能达到40°C时，IGBT仍然工作在安全工作范围之内。