基于Fluent的6英寸晶闸管水冷散热器设计及优化

　　随着电力电子技术的不断发展，大功率晶闸管在各种电子设备及机电控制领域得到了广泛的应用。如特高压直流输电（UHVDC）领域，大功率晶闸管已成为高压直流输电换流阀的核心部件，起着至关重要的作用。由株洲南车时代电气股份有限公司生产的6英寸晶闸管以其耐压高、通流能力强、质量稳定可靠等特点得：2013-03-20件技术研究。

　　基金项目：国家863计划资助项目（2012AA052701）到了客户的青睐。应用中，当有电流流过晶闸管时，将产生一定的压降，导致芯片温度上升，如不能及时散热将会因过热使芯片失效或损坏。因此对运行中的晶闸管进行有效散热是提高装置可靠性的关键因素。

　　目前，国内外晶闸管散热器的设计方法较为成熟，某些设计是通过Fluent进行数值模拟计算得到设计结果或利用经验公式进行手工计算，其结果通常缺乏对温度分布细节的直观性描述。随着计算技术的发展，具有强大后处理功能的有限元分析软件不断出现，使基于有限元法的热分析技术得到了广泛应用，如对模具的热仿真设计，对加工过程的热仿真以及基于ANSYS的风冷散热片热仿真研究等。一些学者运用数值模拟进行热交换过程分析并根据模拟结果来优化散热器：如Panankar等人的研究为散热器的数值模拟奠定了理论基础；郭崇志等对固定管板式换热器进行了热应力数值模拟，分析了管板与管子、壳体连接处附近的热应力分布；吴淑泉等对电子设备的强迫风冷过程进行了模拟分析并与的散热系统，芯片作为器件的发热部件，其两端各有一块圆柱形钼片，钼片外端面分别是管盖和管座。散热器通过一定的压力与器件端面紧密贴合以减少其接触热阻，降低接触损耗。

　　为沿散热器主流方向中心截面视图。散热器工作时，与晶闸管呈层叠交替安装结构。单个散热器具有两组交叉换热流道，根据其对称性，计算中仅取其中一半作为分析对象。中下表面为一对称面，在计算模型中处理为绝热边界；上表面为与晶闸管壳贴合的受热面，模型中为恒定热流密度边界。冷却水从左侧进口进入上下两层交错流道，从右侧出口流出。模型其余外部表面均处理为绝热边界。

　　散热器中心截面视数学模型计算中运用的控制方程为三维不可压缩流体的连续性方程和N-S动量及能量方程。计算域为水冷散热器内部流体的流动区域。在充分发展的湍流区域，采用反映湍流脉动量对流场影响的湍流动能方程和湍流应力方程的示准湍流模型，从而可不用求解沿水流方向的能量方程，大大减少计算量；并且忽略流体在管道端部连接处的温差。

　　在上述假设和等效条件下，取水冷散热器的内壁作为求解域，通过对流方式散热，为第三类边界面；其余表面是绝热面，为第二类边界面。

　　求解域内三维稳态温度场的边值问题的方程为：矢量；A――传热系数（W/（m2‘K））；分别为第二类和第三类边界条件。3仿真设计及优化利用Fluent有限元分析方法对散热器进行分析，其设计及优化过程分两个步骤。首先对现有用于UHVDC的6英寸晶闸管的散热器进行分析计算，其内容包括：散热器台面温度分布与热阻，流场与流动阻力，功率变化对热阻的影响，流量变化对热阻的影响；然后根据分析结果对散热器进行优化设计，通过前后的比较可得到优化的结果。

　　3.1散热器台面温度分布与热阻对现有散热器的分析过程：在冷却水进口温度的条件下，计算了散热器内传热与流动特性，其受热面温度分布见。

　　冷却水进丨丨脚实验忍测点冷却水出11侧散热器受热面温度分布由图可见，散热器受热面温度从冷却水进口侧向出口侧逐渐升高，其高温度出现在冷却水出口附近，在该工况下受热面高温度为64.2C.可进一步算出高温度点的散热器的热阻为：通过试验来验证仿真结果的正确性。在相同条件下对散热器进行试验，试验时在散热器受热面上布置3个测点，取其中高温度点进行计算。试验结果：热阻为3.4°C/kW，台面的高温度为60.4C.该结果与仿真结果存在一定的差别，其原因是仿真和试验选取的温度点不同，如果以试验的高温度测点为参照，仿真的结果为60.5°C，与试验时测得的高点温度60.4C非常接近。由此可见，仿真模型及计算结果与实际散热器受热面的温度分布十分吻合。

　　3.2流场与流动阻力由于流道及流动结构的复杂性，难以完整表达出整个流道中冷却水的流动结构，因此分别取上下两层流道的中心截面（x-y平面）上的速度分布。为晶闸管功率6000W，水流量为8L/min时，上下层通道中心截面速度分布。

　　上下层通道中心截面速度分布由仿真结果可知，冷却水在换热通道内整体流速较低。同时，可以发现在流体进出口侧的拐角区域存在流速非常低的“流动滞止区”，该区域换热较差。对于进口侧而言，由于流体温度较低，因此相对应的台面温度也较低，流动滞止区的影响不大；但是，在流体出口侧，流体温度逐渐升高（此工况下，流体出口温度仿真值为50.8C），故器件台面的高温度出现在该区域。

　　在此工况下，冷却水进、出口间流动总压力损失16.81kPa.因此，适当提高冷却水循环流量，不仅可以增强散热器的整体换热性能，同时还可以弥补一定的阻力损失。为了更清晰地观察流道内的流动结构，与分别给出了不同流道截面的速度矢量图。

　　3.4流量变化对热阻的影响计算了流量分别为10L/min和12L/min时不同输入功率条件下散热器的热阻以及总压力损失。将计算结果与流量为8L/min的结果列于表2中。0给出了当输入功率为5000W时，散热器热阻与流阻随冷却水流量的变化规律。

　　表2不同流量和功率条件下的计算结果x=0截面速度矢量图及局部放大y=0截面速度矢量图及局部放大3.3功率变化对热阻的影响分别考察了当冷却水流量固定为8L/min，输入功率为5000W和4000W两种工况下，受热面的温度分布和流场结构（和）。流量不变，输入功率减小时，散热器受热台面的温度场以及流道中心截面的流动结构输入功率5输入功率4 000W时，散热器受热面温度分布与输入功率6000W时相似。而在流场方面，由于流量并无改变，流体的平均温度变化不大（即流体物性变化不大），因此流动结构十分相似，流动阻力也几乎没有变化，故未给出图示。

　　冷却水循环流量固定为8L/min，3种不同输入功率条件下的计算结果汇总于表1.表中计算表明，功率变化对器件的热阻影响甚微。

　　表1不同输入功率下计算结果汇总晶闸管功率/V冷却水流量/L.nin-1冷却水进口温度/°C冷却水出口温度/°C台面热流密度/wm2台面高温度/C台面低温度/C台面平均温度/C台面大温差/C冷却水进口总压/Pa冷却水出口总压/Pa冷却水流动总损失/kPa高温度计算热阻值/°C（kW）平均温度计算热阻/°C（kW）-1 0热阻与流阻随冷却水流量的变化2部分流道深度减小示意图Fi改进设计从表2可以看到，当流量相同时，散热器热阻随输入功率的减小略有降低。当输入功率相同时，散热器热阻会随着流量的增加而显著减小。这是由于流量增加（即流速增大）时，通道内表面换热系数增大，换热性能得到强化，故热阻减小。同时，流速的增加亦导致总压力损失大幅上升，为了满足流道阻力的要求，该结构的散热器冷却水循环流量应低于12L/min. 3.5散热器的优化设计加热面至上层流道顶端这一部分基板（热扩散板）会带来附加的热阻，因此减小其厚度可减小散热器的总热阻。但此部分过薄又会削弱该部分平面的导热，使基板表面温度不均匀性增加，需对该厚度进行优化。仿真显示受热面高温度出现在流体出口附近，因此强化流体出口侧的换热可以降低基板温度，从而使按基板表面高温度定义的散热器热阻（大热阻）减小。

　　而增强通道内换热的有效途径是增大通道内的流速，即降低槽道深度或者增加该区域槽道的数量。

　　3.5.1减小基板厚度在其他流道结构尺寸不变的情况下，减小加热表面到上层流道顶部基板的厚度。分别计算冷却水流量为8L/min、10L/min、12L/min以及功率为4000W、5000W、6000W条件下的热阻和流阻特性（1流量/L结果表明，当流量分别为8L/min、10L/min和12L/min时，总热阻分别减小了1.9，2.6和3.4.由于流道没有变化，相对于原型散热器，其流阻特性并无变化。

　　3.5.2减小部分出口流道深度对原型散热器进行流道深度优化设计，如2中以浅色部分显示的流道。同样计算了冷却水流量分别4000W、5000W和6000W条件下的热阻和流阻特性（3）。

　　流量/L 000W为例，4给出了改进后散热器热阻、流阻与原型散热器的比较。与原型散热器相比，部分出口流道深度减小后，其热阻在计算流量范围内平均减小了4.7，而流阻却增加了流量/L 4出口流道深度减小后热阻、流阻与原型散热器的比较3.5.3基板厚度与部分出口流道深度同时减小上述计算结果表明，减小基板厚度和减小出口流道深度分别具有减小散热器导热热阻和减小对流换热热阻的作用，但各自所起的作用都相对有限。如能将两种措施结合起来，则可获取更为优化的综合效果。5给出了基板厚度减小、部分出口流道深度减小时的热阻和流阻特性曲线。

　　-么一-改进设计为了与原型散热器进行比较，6给出了输入功率为6000W时，热阻和流阻的变化。从计算结果来看，热阻平均降低了7.1，而流阻却增加了47.2.由此可见，当流量增加到10L/min时，流阻已经变为38.8kPa.因此，对于所述的散热器改进，其冷却水流量不宜超过流量/L 6散热器改进后的流阻、热阻特性与原型散热器的比较4结语对散热器的建模与仿真分析表明，仿真计算结果与散热器实际工作特性具有较高的吻合度，实验验证了仿真模型的可用性。计算结果也表明目前的散热器性能存在提升的空间。通过对散热器的优化设计，提出减小基板厚度和部分出口流道深度及其相结合的改进方案，并进行了相应的传热与流动仿真。结果显示改进后散热器的热阻可下降7~7.5，而流阻将增加47左右，且冷却水流量不宜超过10L/min.该计算方法及改进方案可为今后散热器的设计及改进提供理论依据，在以后的工作中需加强散热器的试验研究及验证，通过理论计算与试验的结合，进一步优化散热器内的传热、流动及机械性能。