一种“L 型”进出口的IGBT 散热水道优化设计

谭亚敏，柴宏生，唐玉生，王双全

（中国长安汽车集团有限公司上海驰驱智能控制技术分公司，上海 200040）

0 引 言

新能源汽车电驱动系统中，绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模块是其核心部件。IGBT 模块具有输入阻抗高、开关频率高、载流能力大等特点，在其运行中开关的通断会产生大量的损耗热量，如果散热结构设计不合理，那么积聚的热量极易影响元器件的工作寿命、元件特性，甚至是热击穿失效产生炸管等事故，因此合理的散热结构对IGBT 模块的安全运行极其重要。目前，对于电机控制器散热设计研究有单风冷散热器、风冷+热管散热器、单水冷板液冷散热器、水冷板+热管散热器、水冷+风冷的散热方式以及翅针的排布与结构形状等散热研究，且大多是对平板级模块的水道结构进行分析，对带有Pin-Fin 结构的IGBT 模块散热水道优化方面较少，尤其是对于特定进出口位置的研究较少[1-4]。结合工程应用实例，针对某电动汽车用150 kW电机控制器，在进出口水嘴位置近“L 型”的位置使用IGBT HPD 模块，通过热仿真分析Pin-Fin 进口连接处沉水槽导流角大小，Pin-Fin 与箱体间缝隙大小以及Pin-Fin 进出与水道的连接方式对IGBT 芯片温度及流阻的影响，结合水道流阻及散热性能，选择合适的散热结构，提高散热水道性能。

1 散热结构

本文中电机控制器输出功率为150 kW，IGBT 模块为直接液冷的方式，水道结构由于外在接口已定，进水口位置垂直于IGBT 模块长度方向，出水口位置近IGBT 短边位置，从水平俯视图看进出口位置成90°夹角，近似“L”形状（以下简称L 型进出口水道），整机控制器模型如图1 所示。冷却液由水道进水口进入，先经过薄膜电容底部，后流入IGBT 底部，经IGBT 模块正下方的Pin-Fin 结构后流出，Pin-Fin完全浸在冷却液中直接冷却。

图1 整机控制器模型

为了便于后续分析，将IGBT 芯片根据水道流入方向进行命名，IGBT1、IGBT4 位于Pin-Fin 流道流入位置，IGBT15、IGBT18 位于Pin-Fin 流道流出位置，且三相输出端子分别为U 相、V 相、W 相端子，如图2 所示。

图2 IGBT 模块pin-fin 结构

2 仿真分析

2.1 模型简化

文章主要考虑IGBT 散热分析，暂不分析薄膜电容散热，因此在仿真计算前，简化仿真模型，去除印刷电路板（Printed Circuit Board，PC）板组件、螺栓、薄膜电容、母排及接线座等零部件，对控制器箱体及IGBT 模块进行模型简化，简化后的模型如图3 所示。

图3 控制器IGBT 简化模型

2.2 网格剖分

在进行仿真计算前需要对模型进行网格剖分，先分别对IGBT 模块中芯片、焊锡、DCB-上下铜片、DCB 中间SI3N4结构进行网格尺寸定义（见表1），再对与冷却液直接接触的IGBTPin-Fin 结构和水嘴结构网格加密。划分后网格数量为31 377 963 个，其中流体单元数为2 598 509 个。

表1 网格尺寸定义

2.3 边界条件与工况

冷却液采用50%乙二醇，入口温度为60 ℃，流量为8 L/min，环境温度为85 ℃，根据流道入口条件估算雷诺数Re=7724，计算类型为湍流模型。

IGBT 损耗包含IGBT 单元损耗和体内二极管FWD 单元损耗，IGBT 和变频器控制端子（Forward，FWD）单元损耗各自又包含导通损耗和开关损耗，同时电机在SVPWN 控制模式下旋转时，二极管导通损耗不考虑。以控制器150 kW 峰值工况为例，进行求解计算，即输出相电流有效值为390 A，开关频率为6 kHz，单桥臂IGBT 单元损耗为592.9 W，单桥臂FWD 单元损耗为86.57 W，IGBT 模块总损耗为4 076.82 W。液冷中IGBT 模块的瞬态热响应时间极短，量级为秒级，因此仿真中均采用稳态分析计算。

2.4 结果分析

经求解计算，初版方案IGBT 芯片温度最大值为129.4 ℃，如图4 所示。IGBT 芯片温度最大值随着冷却液流动的方向逐渐升高，位于W 相即靠近出水口的位置处的IGBT14 芯片温度最高，W 相上桥臂IGBT 芯片温度比下桥臂芯片温度高1.7 ℃左右，导致W 相芯片温度明显高于U、V 两相的芯片温度，因此合理的设计进出Pin-Fin 处的连接结构至关重要。

图4 不同位置的IGBT 芯片温度曲线

图5 结构示意

3 优化方向

根据初始方案的仿真结果，从以下3 个方向分析其对芯片温升及流阻的影响（见图5）。一是在Pin-Fin 进出口位置添加沉水槽结构，优化沉水槽与Pin-Fin 连接角大小，如图5（a）所示；优化Pin-Fin 与箱体间的缝隙大小，如图5（b）所示；弯道与Pin-Fin 进水处的连接方式设计，如图5（c）所示。

3.1 沉水槽结构

在水冷板Pin-Fin 前后适当增加沉水槽结构，使进入Pin-Fin 的冷却液先将沉水槽蓄满后流入Pin-Fin 底部，从而使流道内流速更均匀，进而降低IGBT芯片各相间温差，减少温度最大值。但是，沉水槽的过渡角度α的大小对流道上芯片的温度及流阻的影响未知。在Pin-Fin 与箱体间缝隙0.3 mm 的情况下，设计了不同α 大小的沉水槽方案，沉水槽的尺寸设计为H=12.8 mm、h=6.8 mm、X=6 mm，α角度分别选取0°、15°、30°、45°、60°以及75°这6 种方案。

通过仿真计算，不同过渡角度α方案的芯片温度最大值均位于IGBT14 位置，如图6 所示；随着过渡角α由0°增大到75°，IGBT 芯片温度最大值先减小后增大，当过渡角α为15°和30°时芯片整体温度最低，随着过渡角由0°增大至75°时水道流阻振荡下降，过渡角在15°～45°流阻相差不大，当过渡角超过60°时，流阻数值急剧下降，如图7所示；当过渡角≥60°时，温度明显升高。综合流阻和散热分析，沉水槽与Pin-Fin 间的过渡角推荐15°～30°。

图6 不同过渡角度不同位置的IGBT 芯片温度随过渡角度变化对比曲线图

图7 IGBT 结温最大值和水道流阻随过渡角度变化曲线图

3.2 Pin-Fin 与箱体间的缝隙

Pin-Fin 与箱体间的缝隙会直接影响流道流阻大小及流速，流速大小进而会影响IGBT 芯片温度。先分别将Pin-Fin 与箱体间的缝隙取0 mm、0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm、1 mm 以及1.5 mm，在上一步α=15°的方案基础上通过仿真分析此处缝隙的大小对流道流阻及IGBT 温升的影响。

通过仿真计算，当Pin-Fin 与箱体间的缝隙由0 mm 增至1.5 mm，IGBT 芯片温度最大值均位于IGBT14 位置，如图8 所示；IGBT 芯片温度最大值随着缝隙的增大而增大，水道流阻随着缝隙增大而减小，如图9 所示；0 mm 缝隙加工难度较高，因此推荐此处缝隙取值为0.25 mm。

图8 不同缝隙下IGBT 各芯片位置的温度对比图

图9 不同缝隙下IGBT 结温最大值和流道流阻曲线图

3.3 弯道与Pin-Fin 进水处的连接方式

冷却液进去水嘴后，经L 弯道进去IGBT 模块的Pin-Fin 流道内，现在沉水槽过渡角度15°，Pin-Fin与箱体缝隙0.25 mm 的基础上改变Pin-Fin 进水处的连接方式，对比直接连接与侧面连接（见图10）对IGBT 模块芯片及流道流阻的影响。

图10 弯道与Pin-Fin 进水处的连接方式示意

通过仿真计算，Pin-Fin 进口处直接连接与侧面连接的芯片温度趋于一致，相同位置的芯片温度几乎无变化，如图11 所示。因此，Pin-Fin 进出口位置设计沉水槽结构对其连接方式较为友好，为后续平台化水道设计提供便捷的思路。

图11 不同连接方式下IGBT 温度对比图

3.4 可承受最大损耗

根据仿真结果提取结-冷却液间的热阻来估算其允许的最大功耗[5]。同时，根据仿真分析结果选择水道结构为沉水槽过渡角15°，Pin-Fin 与箱体间缝隙为0.25 mm。此时，结温最大温度为126.8 ℃，冷却液进出口平均温度64 ℃。当IGBT 结温限高点为150 ℃时，可估算能承受的损耗约5 580 W。在同一水道的工程应用中可利用此方法快速的估算不同工况下此模块结温，节省计算时间。结-冷却液间热阻Rjf公式为

式中：∇Tjf为结温与冷却液进出口平均温度差；P为模块总损耗；Rjf为结至冷却液间热阻。利用式（1）计算得到结-冷却液间热阻Rjf为0.015 404 ℃/W

4 结 论

文章从IGBTPin-Fin 进出水位置的过渡角度、Pin-Fin 与箱体间的缝隙以及L 型进出水道与Pin-Fin进出位置的连接方式3 个方向入手分析，利用仿真软件对不同方案的IGBT 芯片温度与散热水道流阻数值模拟，总结了IGBTPin-Fin进出水位置过渡角度大小，Pin-Fin 与箱体间缝隙大小及Pin-Fin 进出水位置的连接方式对IGBT 芯片温度及水道流阻的影响规律，最后根据推荐水道（过渡角度15°，Pin-Fin 有箱体间缝隙0.25 mm）进行可承受最大模块损耗进行估算，为后续同类平台化产品的散热水道设计奠定基础。