摘要：综合考虑加工便捷性、均温效果、实用性因素，设计了一款适用于排列分布功率器件的螺旋线型结构散热器。基于三电平半 桥模组结构应用场景，结合功率器件损耗、水冷系统常规工程应用条件需求，以及结构加工工艺难度及经济性，以进出水温差、进 水流量作为变量，设计了两款散热器流道结构。两款流道均采用均温性强的螺旋线型流道结构，按照器件安装需求，分别拼接并联 流道和含S 弯道的串并联流道两种结构。通过流阻及温度仿真分析，得到两种方案对应的流道流阻数据及IGBT 安装面最高温度、温差数据，根据散热系统设计要求，综合评估判断流道设计方案流量分配合理性。结合散热效果及散热经济性，比较流道流阻及设 计裕度，确定在常规水冷工况下散热器流道最优设计方案。研究成果可为螺旋线型水冷散热器的设计提供指导。

　　关键词：散热器;流道设计;流阻;散热效果

　　Three-level Module Heat Dissipation Design and Numerical Analysis

　　Su Lei 1 ,2 , Yun Qianglong1 ,2 , Zhang Guangtai 1 ,2 , Wu Jiping1 ,2

　　( 1. NR Electric Power Electronics Co. , Ltd. , Changzhou , Jiangsu 213025 , China ;

　　2. Jiangsu Engineering Research Center for Flexible Power Transmission and Transformation Unit ,Changzhou ,Jiangsu 213025 ,China )

　　Abstract :Taking into account factors such as processing convenience ,temperature uniformity and practicality ,a spiral shaped heat sink suitable for arranging distributed power devices has been designed. Based on the application scenario of a three - level half bridge module structure , combine with power device losses , conventional engineering application requirements for water cooling systems , as well as the difficulty and economy of structural processing technology ,two heat sink channel structures are designed with inlet and outlet water temperature difference and inlet flow rate as variables. Both channels adopt a spiral shaped channel structure with strong temperature uniformity. According to device installation requirements ,parallel channels and series parallel channels with S- bends are spliced separately. Through simulation analysis of flow resistance and temperature ,the corresponding flow resistance data of the two schemes , as well as the maximum temperature and temperature difference data of the IGBT installation surface ,are obtained. Based on the design requirements of the heat dissipation system ,the rationality of flow distribution in the flow channel design scheme is comprehensively evaluated and judged. Based on the heat dissipation effect and heat dissipation economy ,compare the flow resistance and design margin of the channel , and determine the optimal design scheme of the radiator channel under conventional water cooling conditions. The research achievement provides guidance for the design of helical water-cooled radiators . Key words : heat sink ;design of flow channel ;flow resistance ;heat dissipation effect

　　引言

　　在柔性直流输电、高压静止无功补偿装置等输配电系统电力电子设备中，IGBT 作为核心部件得到了广泛的应用[1]。伴随电力电子设备逐渐向高频、大功率和高集 成化方向发展，设备单位面积热流密度越来越大[2]。而 温度是决定元器件工作稳定性及寿命的重要因素之一，据研究统计，由器件超温引起的IGBT 失效占全部失效模 式的55% 以上[3-4 ] , 散热设计成为电力电子设备产品设 计的关键环节之一。

　　目前，IGBT 等功率模块主要散热方式有强迫风冷、液体冷却和相变冷却[5-9 ] 。液体冷却因散热效率高、不 需要复杂的管路系统和制冷剂、成本低的优势，在电力电子器件冷却方面具有广泛的应用。近年来，国内外学者对液体散热设计的研究也在不断深入。Lee Tien- Yu[ 10 ] 用仿真的方式对IGBT 功率模块的水冷散热器进行了优 化分析;丁杰[11] 、南瑞亭[12] 使用FLUENT 软件对比分析了不同翅柱结构对流速、压降和温度的影响，为翅柱式散热器设计提供了理论参考;唐玉兔[13] 基于FLUENT 软件得到管式散热器流速分布、压力分布和温度场分布，对比分析流量、管材和底板厚度对IGBT 芯片最高温度的影响，并提出了优化方案;丁杰[14] 以开发一款基于阿基米德螺旋流道结构的晶闸管水冷散热器为研究对象，分 析了冷却水流量、温度和发热量等因素对温升和压降的 影响，并进行了验证及结构优化。上述研究分别针对典型的液体冷却散热结构形式的散热效果及影响因素进行 了分析。

　　综合考虑加工便捷性、均温效果、实用性因素，本 文分析了适用于排列分布功率器件的螺旋线型结构散热器 的压力分布及温度场分布，对比分析流量、进出水温差对 IGBT 芯片最高温度的影响，并对优化改进方案进行探讨。

　　1 散热方案设计

　　1 . 1 散热设计输入条件

　　本文基于电力电子设备中常用的三电平半桥模组结 构设计一款散热结构，首先梳理散热器设计相关器件 尺寸、功率等设计输入条件。本次设计依托的三电平 半桥模组包括4个IGBT VT11/VD11~VT14/VD14 、2 个二极管VD15 和VD16 、1 个功率电阻Rb 和2组电容器组成，模组引出线有4条：直流母线正极P、直流母线中性点O、直流母线负极N 和交流出线AC。其中，发热模块包括IGBT、二极管和功率电阻。图1所示为三电平半桥模组拓扑结构。功率器件在散热器上功率器件在散热器上 图1 三电平半桥模组拓扑结构的布局及相应尺寸：IGBT 尺寸为180 mm × 130 mm, 二极管的尺寸为130 mm × 140 mm, 功率电阻Rb 的尺寸为60 mm ×60 mm。器件与散热器的某一边及器件与器件之间需预留20 mm 距离。所选的二极管模块中包含两个独立的二极管，对应拓扑结构中的VD15 和VD16.散热器尺寸为350 mm × 600 mm ×30 mm。图2所示为三电平半桥模组布局根据变流器整流、逆变各种不同工况下的系统仿真，得到各个功率器件损耗情况的最大平均值，乘以系数 1. 05. 确定散热器设计输入参数。表1所示为三电平半 桥模块各功率模块最大散热需求。

　　该设计产品应用的环境条件为海拔2 km, 水冷要求：45 ℃ 进水温度，温升不超过20 K。功率电阻Rb 的最高工作温度不超过85 ℃ 。根据能量守恒定律，可对冷却液体进出口温度进行核算，求出设定的进出水温差下相应的进水流量[15-17] , 温升核算公式如下：

　　式中：Tin 为冷却液体进口温度;Tout 为冷却液体出口温 度;P 为功耗;Cp 为纯水的比热容;ρ 为纯水的密度;Q为纯水的流量。

　　1 . 2 流道结构设计

　　散热器主要通过热传导、热对流和热辐射3种传热 方式实现热传递过程，其具体的散热过程为：压接式的 功率器件通过热传导的方式将产生的热量传递到散热器金属壁面上，壁面上的热量通过对流换热方式被冷却工质带走[18] 。

　　根据散热器内部流道的尺寸、数目以及排列方式，可以分为串联结构、并联结构、串并联结构等。散热器 热阻与流阻性能成反向变化，流道越长，水流速度越快，换热就越充分，换热效率就越高，同时流阻也越大。

　　流道主要压损为沿程阻力损失，计算公式如下：

　　式中：λ 为摩擦因数;L 、D 分别为管长和管径，m ; μ为流体速度，m/s; Q V 为体积流量，m3 /s; A 为流道截 面积，m2 。

　　在并联管路中，任一管路的总压力损失等于流经的 总管压力损失和分流支路压力损失之和，即：

　　式中：q V 为分流支路的体积流量，m3 /s; l 、d 分别为分 流支路的管长和管径。

　　在并联结构中，当分流道支路当量直径较小时，支 路的压力损失占主导，各支路流量受支路压力损失控制，所以各支路流量分配较均匀。而当支路当量直径较大时，主管路的压力损失占主导，各支路流量受主管路压力损 失控制，则此时各支路的流量分配不均匀，越远离入口 处的支路流量越小。所以设计并联流道时，需要考虑支 路流量是否均匀。

　　另外，流道设计需要考虑的因素主要有热源分布、结构避位、均匀布局、控制流速及降低流阻。具体表现 在：流体应尽可能接近发热源，降低扩散热阻;流道应 避开水冷散热器上的固定孔，并保持安全距离;流体应 尽量能均匀地掠过水冷散热器，有效利用散热面积;流 体应尽可能均匀地掠过水冷散热器，有效利用散热面积。

　　流道距离热源越远，对散热贡献越小;冷却介质对散热 器的冲蚀作用会随着流速的增加而恶化，而且流动的阻力也会迅速加大。但显然流速越大，对流换热系数越高。

　　流速需要结合产品散热需求和可用空间，综合考虑;设 计串并联流道，降低流动阻力，减少泄漏风险。

　　综上，散热器设计方案主体部分选用螺旋线型流道 结构，主要考虑其均温性强，相邻管道冷热水相间流动 特征使散热器对各功率器件的冷却效果较为均匀。同时 考虑到流道需避开水冷散热器上的固定孔，并保持安全 距离这一因素，螺旋线型流道结构较简单，加工可实现 性强，适用于排列分布的功率器件安装特点。在散热器 局部流道设计中，即对功率电阻Rb 所对应安装位置，进行了两种流道设计，分别为并联流道设计及含一段S 管的串并联流道设计。图3所示为两种流道设计结构。

　　2 散热仿真分析

　　根据该款散热器设计输入及流道设计进一步开展散 热仿真分析。已知各功率器件损耗及散热结构最高工 作温度要求，预设进出水温差为10 ℃ , 进行仿真计算。图4所示为进出水温差为10 ℃ 时，两款散热器温 度、压力仿真结果。由仿真结果可得两款散热器表面最 高温度分别为64. 15 ℃ 及63. 94 ℃ , 两款散热器流道流阻均接近240 kPa。因而该工况条件下，散热器表面温度较实际需求存在较大裕度，两款散热器流道流阻均高出 理想流阻值较多，不符合设计要求。可通过提高进出水 温差，降低散热器流道流阻。

　　将进出水温差分别提高为15 ℃ 及20 ℃ 后，通过温 升核算公式，可得流量分别为11. 8 、8. 2 L/min。为对比流量变化对散热效果的影响，分别取0. 8 、0. 9 、1 、1. 1 、1. 2 倍常规流量进行仿真取值。为检测流量分配是否合 理，需观察散热器表面功率器件安装区域温度分布是否 均匀。因此需对IGBT 安装区域表面最高温度进行取值对 比。若散热器表面功率器件安装区域温度分布不均匀，则需考虑改变流量分配，具体可通过改变流道截面积或 改变流道结构实现。基于进出水温差为15 ℃ 和20 ℃ 的 散热器性能分别如表3和表4所示。

　　根据散热系统设计要求，散热器流道流阻应小于 100 kPa, 通过仿真结果可得，当进出水温度设为20 ℃时，0. 8~1. 2 倍常规流量下，流阻均满足设计要求，当 进出水温度设为15 ℃ 时，取小流量可满足流阻设计要 求。在进出水温度为15 ℃ 或20 ℃ 所有仿真工况下，散 热器表面IGBT 安装区域温差不超过1℃ , 流量分配较均匀。散热器设计方案2表面最高温度及流阻要略低于方 案1. 但两种方案仿真结果相差不大，可根据加工工艺难易程度进行选择。

　　3 结束语

　　通过散热器流道进行多方案设计，根据散热需求、 加工工艺可实现性、散热经济性等因素考虑进行选择。

　　散热器设计方案2表面IGBT 安装区域最高温度及流道流 阻略低于方案1. 主要由于其流道设计使冷却水温利用更为合理。并且尽管设计的S 管使流道加长，但从仿真 结果来看，流道整体流阻并没有升高，反而有所降低。

　　散热器预设进出水温差时，考虑流道流阻是否符合 设计要求，同时需考虑散热经济性，即设计裕度须在满 足要求前提下，尽可能减小。在同一预设进出水温差工 况条件下，设置多个流量观察点，综合考虑散热效果和 散热经济型进行选择。两款散热器方案下，各IGBT 散热 区域流量流量分配较均匀，安装面之间最高温度的温差 控制在2 ℃ 以内，结构设计合理。

　参考文献：

　　[ 1 ] 张新鹏，张广泰，张辉亮，等.螺旋流道水冷IGBT 散热器数值模拟及实验研究[J ] . 电力电子技术，2014 ,48 (2 ):71-73 .

　　[2 ] 熊辉，邵云，颜骥，等.基于Fluent 的6 英寸晶闸管水冷散热器设计及优化[J ] . 大功率变流技术，2013 ,4 (3 ):22-27 .

　　[3 ] 吴智勇，王雄，黄南，等.城轨变流器IGBT 实时结温快速计算[ J ] . 电力电子技术，2021 ,55 ( 12 ):32-35 .

　　[4 ] Janicki M ,Napieralski A. Modelling Electronic Radiation CoolingUsing Analytical Thermal Model [ J ] . Microelectronics Journal ,2000 ,31 (9 ):781-785 .

　　[5 ]许佩佩，吴刚，曹叶楠，等.基于Icepak 的水冷板散热器性能研究[J ] . 电子机械工程，2018 ,34 (3 ):35-39 .

　　[6 ] 揭贵生，孙驰，汪光森，等.大容量电力电子装置中水冷散热器的优化设计[J ] . 机械工程学报，2010 ,46 (2 ):99-105 .

　　[7 ] 黄伟，冯维，王海峰，等.直流换流阀单位模块蒸发冷却系统的仿真分析与实验[J ] . 电工技术学报，2017 ,32 (2 ):264-270 .

　　[8]陈贺，王成非，范晶晶，等.某电子设备热结构设计[J]. 机电工程技术，2022 ,51 (7 ):203-206 .

　　[9 ] 田野，王成非，范鹏杰，等.某功放模块散热冷板设计与仿真分析[J ] . 机电工程技术，2022 ,51 ( 10 ):178-181 .

　　[ 10 ] LEE Tien Yu. Design optimization of an integrated liquid -cooled IGBT power module using CFD technique [ J ] . IEEETransactions on Components and Packaging Technologies ,2000 ,23 ( 1 ):55-60 .

　　[11]丁杰，何多昌，唐玉兔.翅柱式水冷散热器的性能研究[J] .大功率变流技术，2013 (2 ):32-36 .

　　[12]南瑞亭.模块化电子设备机箱散热结构设计与仿真[J]. 机电工程技术，2022 ,51 ( 12 ):187-193 .

　　[ 13 ] 唐玉兔，丁杰.管式IGBT 水冷散热器性能的数值模拟研究[ J ] . 机电工程，2014 ,31 (7 ):870-874 .

　　[14]丁杰，张平.晶闸管水冷散热器的热仿真与实验[J]. 机械设计与制造，2016 (7 ):177-180 .

　　[ 15 ] 李彦涌，忻力，赖伟，等.基于现场数据的IGBT 结温实时计算[J ] . 大功率变流技术，2017 ( 1 ):24-28 .

　　[ 16 ] 李强，庞辉，贺之渊.模块化多电平换流器损耗与结温的解析计算方法[J ] . 电力系统自动化，2016 ,40 (4 ):85-91 .

　　[17]杨洪波，王征宇，黄宜山.IGBT 损耗和结温计算研究[J]. 大功率变流技术，2016 ( 1 ):30-33 .

　　[ 18 ] 丁杰，张平.IGBT 水冷散热器实验与仿真[J ] . 华北电力大学学报，2015 ,42 ( 1 ):97-103 .