热管式IGBT 散热器的研究
绝缘门双极晶体管IGBT(Insulated gate bipolar transistor) 是集功率场效应晶体管(MOSFET)与双极型晶体管优点于一体的新型全控型电力电子器件。广泛应用于电机控制、开关电源等领域。IGBT 同时也是一种大功率电子元件，发热量可达数千瓦，而电子元件特有的性质又要求IGBT 在正常使用时温度不能超过某一界限[1，2]，这就要求配以散热能力很强的冷却器及时将其热量散去。两相闭式热虹吸管（Two-phase closed thermosyphon）以其高导热性、结构简单、体积小、重量轻的优点，成为IGBT 很好的散热元件，并且对于封装在壳体内发热元件，热管散热有其特有的优势。首先用热管解决电子元件散热问题是在60 年代末、70年代初的美国。其后Fujikura 的单管可控硅散热器，MAYR 的IGBT 散热器相继出现。
本章内容是一台叠装翅片（stack fin 型）热管散热器，利用强制风冷，使IGBT 的表面温度控制在80℃以下，确保其的正常工作。
5.1 有限元分析在传热学工程中的应用[3～8]
有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50 年代首先在连续体力学领域，如飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。50 年代中期至60 年代末,有限元法迅猛发展,由于当时理论尚处于初级阶段，计算机的硬件及软件也无法满足需求，有限元法和有限元程序无法在工程界普及。到60 年代末70 年代初出现了大型通用有限元程序，它们以功能强、用户使用方便、计算结果 可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品，成为结构工程强有力的分析工具。目前，有限元法在现代结构力学、热力学、流体力学和电磁学等许多领域都发挥着重要作用。当前，在我国工程界比较流行，被广泛使用的大型有限元分析软件有MSC/Nastran、Ansys、Abaqus、Marc、Adina 和Algor 等。
有限元法是建立在固体流动变分原理基础之上的，用有限元进行分析时，首先将被分析物体离散成为许多小单元，其次给定边界条件、载荷和材料特性，再者求解线性或非线性方程组，得到位移、应力、应变、内力等结果，最后在计算机上，使用图形技术显示计算结果。
总之，目前的商用有限元程序不但分析功能几乎覆盖了所有的工程领域，其程序使用也非常方便，只要有一定基础的工程师都可以在不长的时间内分析实际工 程项目，这就是此软件能被迅速推广的主要原因之一。
长期以来，传热学是一门以实验为主的科学，相似理论的成功应用使传热学理论得到了迅速的发展；另一方面，数学物理方法也被成功的应用到传热学理论中来。从质量、动量和能量守恒定律出发，在微元体或控制体上形成微分方程或积分方程，但这些方程在定解条件下求解是比较困难的。解析解法，如分离变量法、积分方程的近似解法、运算微积、特殊函数、正交函数理论与级数解以及摄动法等近似方法在一定领域内取得了成功，并将继续对传热学的理论作出贡献。但由于能够获得解析解的范围太窄，近似求解方法又存在较大的局限性，而基于相似理论所要求的完全模化又不易实现，并且实验测量也会遇到很多困难，有时甚至是不可能的，因此为了实现多变量非线性复杂边界问题求解的目的，就产生的数值求解方法。
有限元在传热学工程应用的发展基于如下三个条件：
（1）建立传热问题的数学物理模型；
（2）数值计算中各种有效的离散化方法；
（3）计算机工具。
5.2 热管式IGBT 散热器的开发与模拟计算
开发要求：某IGBT 在正常工作状态下的发热量是1000W，单面散热，散热面尺寸130×140mm，如图5.1 所示，要求在环境温度27℃的情况下，控制其散热表面的温度不超过80℃。
图5.1 热管式IGBT 散热器示意图
Fig. 5.1 Scheme of heat pipe heat sink for IGBT
设计条件：
1) 采用翅片束热管散热器，即：将发热面与一接触块相连接，热量通过接触块传导到热管的蒸发段；由热虹吸管将热量带到外部空间的翅片束上，通过强制风冷将热量带走。
2) 单根热虹吸管的传热性能在本文的第3 章已经详细的讨论过。根据第3 章的结果，拟采用Φ10×0.9×600mm 铜水热虹吸管，充液量2.5ml，设计单根传热量为180W。共计6 根：180×6＝1080W。
3) 设计的环境为27℃，风道内的平均风速2m/s，风道的直径260mm，翅片厚度1mm，翅片间距2mm，设翅片高20mm。设计冷凝段的换热系数50W/m2K。
直角坐标系下的热传导方程为：
计算结果如图5.2 所示，接触块的最高温升为17.06K，设计符合要求，热管的主要作用表现在下部三分之一处，上面的温差很小，散热作用不明显。散热器上的最高温度点出现在接触块的最下部，由于IGBT 表面的温度不易测量，所以一般是控制散热器的接触块的最高温度。
图5.2 IGBT 温度分布
Fig. 5.2 Temperature distribution of IGBT heat sink
5.3 试验研究
为验证所开发研制的热管式IGBT 散热器，建立了模拟试验装置进行性能测试。
5.3.1 试验装置
试验装置流程如图5.3 所示。
图5.3 热管式IGBT 散热器性能模拟测试试验装置示意图
Fig. 5.3 Scheme of test setup for the performance of heat pipe IGBT heat sink
1) 加热方式
电加热,由模拟加热块，通过五根电阻丝加热棒提供电加热热源，输入功率由变压器控制，由电流、电压表显示；
2) 冷却方式：强制风冷；
3) 试验测试点：
模拟加热块表面，接触块表面布置热电偶，热电偶的温度全部由数据采集仪（HP 34970A）记录。风量由ZRQF-J 型风速仪测量。
5.3.2 试验结果和分析
（1） 模拟加热块表面温度基本均匀，接近真实IGBT 表面情况。图5.5 为模拟加热块表面温度的实测结果。在模拟加热块表面按照上面的计算结果，选取最大温差点布置12 个热电偶作为测点。图5.5 的横坐标为数据点，纵坐标为温度，不同曲线表示不同的测试点的数据记录。其温度记录显示，最大温差也仅为3K。综上所述，采用铝制模拟加热块模拟IGBT 表面温度场对试验结果不会产生太大的误差。
图5.4 热管式IGBT 散热器照片
Fig. 5.4 Photo of heat pipe heat sink for IGBT
图5.5 模拟加热块各点温度记录
Fig. 5.5 Temperature records of the simulating heater
（2） 图5.6 为稳定状况下，传输功率与热管式IGBT 散热器接触块表面的温度的关系曲线。曲线的横坐标为接触块表面的温度（℃），纵坐标是模拟加热块输入的功率（W）。从图上看，输入功率为1000W 时，接触块表面温度不到80℃。拟合的曲线近似呈线性，符合傅里叶定律，
热管热阻的非线性性质在整个换热器内并没有表现出来，也就是说，热管的热阻在整个换热器中占的比例是很小的，可以忽略不计。
图5.6 热管式IGBT 散热器接触块表面的温度记录（环境温度为25℃）
Fig. 5.6 temperature record of contact components surface for heat pipe IGBT heat sink(environment temperature 25 ) ℃
（3） 图5.7 是在接触块和模拟加热块之间加了导热脂后的接触块表面温度记录。导热脂的作用是减小接触块和模拟加热块之间的接触热阻。曲线显示的是两组测试数据（冷凝段的风速2m/s、4m/s）。试验环境温度为25℃，输入功率1140W 热量。风速为2m/s 的一组接触块表面温度比风速为4m/s 的一组高8～9℃。这说明冷凝段条件对整个换热器热阻的影响还是比较大的。这表明了采用热管技术是可以解决IGBT 的散热问；
图 5.7 热管式IGBT 散热器接触块表面的温度记录
（环境温度为25℃，传输1140W 热量）
Fig. 5.7 temperature record of contact components
surface for heat pipe IGBT heat sink
(environment temperature 25℃; input power 1140W )
图 5.8 各部分热阻的比例
Fig. 5.8 Proportion of thermal resistance for each compound
（4） 在采用插入热虹吸管时热虹吸管与接触块之间的热阻占总热阻的比例较大，而把热虹吸管与接触块做成整体以后，接触热阻明显下降。如图5.8a）、b），其中，横坐标的1.代表加热块与接触块间的热阻；2.代表接触块与热虹吸管间的热阻；3.代表热虹吸管的热阻；4.代表热虹吸管与冷媒质间的热阻。纵坐标为相应的热阻值。其中5.8a)是在接触块上钻孔后，将做好的热虹吸管插入其中。从图上看第2 项－接触块与热虹吸管之间的热阻在整个散热系统中的比例是比较大的。而5.8b)测试的是将热虹吸管和接触块整体，这样，接触块和热虹吸管之间的热阻就变成了热虹吸管内部的相变热阻了，从而大大降低了该部分热阻在整个散热器中所占的比例，优化了整个散热系统。
（5） 接触块表面温度比较均匀，接触块的最高温度出现在最下端。图5.9 为接触块表面的热电偶布置图。图上的中心部分是加热块，接触块在周边漏出来的部分布置热电偶。布置后加保温棉减小测量误差。测量结果如图5.10 所示。横坐标为热电偶的标号。纵坐标为测量点的温度值。冷凝段的风速分别是2m/s 和4m/s（条件同图5.7）。从图上可以看出只有5＃热电偶的温度偏高。而5＃热电偶的位置是下部中间。这可以说明加热块的热量可以较均匀的传导接触块上。此设计比较合理，接触块的温度很均匀。热管在接触块中的作用很明显的表现出来。这是因为热电偶测量的表征接触块纵向温度变化的几个值并没有明显的变化。热管对整个接触块的均温作用是比较明显的。接触块又与加热块的温度基本保持同步。说明在使用热管散热器以后的IGBT 表面的温度不会出现大的差别。即热管式IGBT 散热器是均匀散热的，在整个表面不会出现明显的温度峰值，对某些部件造成损害。
（6） 从上面的结果可以看出，冷凝段的条件对整台换热器的热阻有一定影响。冷凝段的冷却条件变化最大的因素就是强制风冷的风速。图5.10 是风速与散热系统热阻关系的对数曲线其中直线为根据其值的线性拟合曲线。图中横坐标是风速的对数值，纵坐标是热阻的对数值。
拟合后的曲线的方程为y=-0.35506*x-3.53576。而光管的强制对流换热公式为Nu=CRem[9]。对应上面的拟合公式，一次项系数0.35506 可以化为为公式中的指数m。而目前设计使用的是带有整体翅片的热管。上面的结论表明所加的翅片效果不明显。而冷凝段的翅片采用的是胀接的翅片，该结构存在比较大的接触热阻，由于目前的设计完全能够达到要求，所以未进行进一步的研究。
图 5.11 风速与热阻关系的对数曲线
Fig. 5.11 Chart of air velocity logarithm vs. thermal resistance logarithm
（7） 接触热阻分析[10]
对于两个固体之间的导热情况是比较复杂的。不论固体表面加工的多么平整、光洁，实际上总是存在不平度和粗糙度，因此在固体表面之间不可能达到完全密合，而是只存在很多接触点。固体表面之间的传热，是由这些接触点的热传导、两表面包围着的空腔气层导热和表面之间的辐射换热所组成。由于固体表面之间实际接触面积不大以及气层导热系数很低，因此构成了固体表面之间传热的接触热阻。从上面的试验结果来看，从热管到热管散热器的过程不仅要有好的结构形式，还要充分考虑接触热阻的影响。接触热阻往往在整个散热系统的热阻中占很大部分。
接触热阻与表面加工精度以及光洁度（表面不平度与粗糙度）、表面硬度、施加于物体表面的接触压力、物体材料和气层的导热系数以及表面是否形成氧化膜等多种因素有关。
在高热流密度场合下，为了尽快导出热量必须设法降低接触热阻：
（1） 改善接触表面光洁度和增加物体间的接触压力以增加接触面积；
（2） 在接触面之间填充导热系数较高的气体（如氦气）；
（3） 在接触表面用电化学方法添加软金属涂层或加软金属垫片；
（4） 如果两个接触表面之一或全部不能承受压力，可以选择导热性能比较好的硅脂作为填充材料，但一定要注意使用温度的限制，因为温度超过使用范围硅脂的粘性降低，会从接触面流出来。
作为涂层或垫片用的材料应该具有较低的硬度、适当的熔点和较高的导热系数。垫片的厚度应该与表面粗糙元相当，一般不超过表面粗糙元的高度均方根的两倍。
上面的分析计算与试验结果存在一定的差别，主要原因是在模拟计算过程中忽略了接触热阻的影响。而在加工过程中，接触热阻的大小是一项主要控制指标。散热器主要包括三部分接触热阻：加热段接触热阻包括IGBT 与接触块间的热阻、接触块与热虹吸管之间的接触热阻；冷凝段的接触热阻是热虹吸管与翅片之间的接触热阻。加热段的接触热阻中，接触块与热虹吸管之间的热阻已经通过整体加工方法得到了彻底的解决。而加热块与IGBT 之间的接触热阻，由于目前的电子元件的加工是和散热系统的加工分开的，暂时还没有办法彻底解决；目前所能采取的比较有效地方法是在接触表面加一层相对比较软，导热系数相对比较大的介质以强化传热。冷凝段的接触热阻是热虹吸管与翅片之间的接触热阻，由于加工工艺和成本的考虑，目前一般采用胀接技术。由于电子元件的热管散热器所采用的热虹吸管一般是无氧铜，其强度并不高，内部工作介质一般是水，而工作时的蒸汽温度一般不会超过100℃，所以在正常工作一段时间后，可能会出现松动现象，而导致比较大的接触热阻。这部分接触热阻是比较难处理的。在要求不高的情况下，一般是采用提高胀接技术来减小接触热阻。
5.4 本章小结
本章针对大功率电子模块的典型实例IGBT，开发研究了热管式IGBT 换热器，经过理论分析、模拟计算和试验验证，证明所开发的热管式IGBT 散热器完全能满足设计要求（IGBT散热面的温度低于80℃），并且进一步分析了降低接触热阻是提高散热器性能的关键因素之一。
参考文献
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