电力电子器件用液冷针翅散热器的研究进展

随着大功率电力电子器件(如绝缘栅双极型晶体管,IGBT)轻量化、小型化和集成化的发展需求,其功率密度越来越大,导致其热流密度越来越高,亟需高效散热来满足其使用要求。传统空气冷却散热器结构简单、使用方便,但是散热能力较低,难以满足高热流密度的散热需求,目前主要采用液体冷却散热器,其中液冷针翅散热器是最常用的高效散热器。本文介绍了液冷针翅散热器的结构、液体工质、材料和制造等方面的研究进展,重点分析了液冷针翅散热器的流体通道结构、针翅结构对流动和传热性能的影响,并给出了液冷针翅散热器的发展建议。

风冷IGBT散热器正交设计及优化研究

基于某工程功率器件的散热需求及散热器尺寸限制要求,拟寻求一种性能较优的散热设计方案。结合散热基本理论,采用自下而上、紧凑型设计为原则,通过正交分析的方式设计并对比了不同结构方案下散热器的基本性能,结果表明:综合考虑散热性能及风机选型风压限制等因素,外形结构尺寸中,散热器长度对散热器风阻及热阻性能的影响最大;散热基板及翅片尺寸也存在优选范围,综合生产制造工艺,散热翅片厚度优选推荐值为2~4 mm;散热器采用引风方式更有利于散热设计,IGBT到出风侧的距离与其相邻间距比值在1~2时散热性能相对较优。优化后的散热器方案对比设计限值,散热性能提升16%且占用体积下降64.43%。

功率变换器风冷系统优化的仿真研究

针对高功率密度半导体开关器件的温升问题,研究了功率变换器的风冷系统散热性能表现,基于ANSYS ICEPAK仿真分析了热界面材料(Thermal interface material,TIM)对分立式SiC MOSFET温升以及散热器热阻的影响作用,提出了三种风道设计方案,从风机效率、降温效果、多器件温度一致性三个方面给出综合评价。研究结果表明,TIM热导率越高,SiC芯片温度越低,但温度的下降存在极限,氮化铝陶瓷垫片与常规硅胶片相比可降温约14.2%;散热器热阻与TIM热导率呈变化率递减的非线性关系,过高热导率的实际意义有限,应结合热设计成本综合考虑TIM选择;合理分配风机风量比单纯提高气流速度的散热效果更佳,混合射流的变截面双风道设计方案具备更高的风机效率以及良好的温度一致性,与无风道相比芯片温度可再次降低约13.7%,其综合表现最优。研究工作为后续开展功率开关器件的热管理试验提供了参考依据。

Correlations Based on CFD and Their Applications in Optimization for Staggered and Parallel Plate Fin Heatsinks

Both parallel and staggered plate fin arrays have shown promise for use inhigh performance heatsinks regard of its individual manufacturing costs. The geometrical andoperational parameters are very important to their cooling performance as heatsinks in practicalapplications. Fluent 5.0 commercial CFD (computational fluid dynamic) code is used to simulate theflow and heat transfer of those heatsinks of different realistic parameters. Based on thosesimulations, two correlations, concerning Nusselt number and friction factor as the functions ofgeometrical and operational parameters, FB (fin-base area ratio), PR' (ratio of spanwise pitch tolengthwise pitch) and Re, were developed. From the both, the performance comparisons for optimizinggeometrical and operational parameters of a fixed dimension heatsink are shown at constant pumpingpower and constant thermal resistance. Several optimized parameters were obtained can out performthe staggered ones.

半导体激光器低热阻液冷热沉研究现状与展望

近年来,半导体激光器输出功率持续增加,引发热负载受限问题。热负载使芯片有源区产生温升,进一步影响芯片温度分布,导致半导体激光器(Laser diode,LD)芯片性能逐渐劣化。而对于确定的封装形式,热沉热阻成为控制温升的决定性因素。因此,降低热沉热阻对提升半导体激光器输出能力与光束性质具有重要意义。液冷热沉可以有效降低热阻,本文从液冷热沉材料、液冷热沉结构和液冷冷媒性质三个方面,回顾了近30年LD液冷热沉热阻演变进程,总结了液冷热沉发展过程中热阻的影响因素,进一步探讨了降低热阻的发展方向与应用前景。

基于拓扑优化的车用功率模块Pin-Fin设计方法

集成Pin-Fin散热器可以降低功率模块的结-流热阻,是车用电机控制器热管理的发展趋势。然而,传统参数设计方法无法定量表征Pin-Fin的形貌结构,设计自由度低、设计效果欠佳,难以实现Pin-Fin的热-流协同设计。基于变密度拓扑优化方法,该文提出一种Pin-Fin形貌结构的设计方法,建立Pin-Fin设计的变密度拓扑优化模型,分析模型参数对优化结果和收敛性的影响规律,形成以结-流热阻和冷却液压降为目标的协同优化方法,探索Pin-Fin结构的热-流耦合规律和强化换热方法,得到最优的Pin-Fin散热器形貌结构,搭建变流器实验平台和车用电机控制器样机,对标商业化圆形Pin-Fin结构,以及三角形、菱形和水滴形等其他形貌结构,计及母线电压、负荷电流和冷却液流量的影响,实验结果验证了所提模型方法的可行性和有效性。实验结果表明:基于拓扑优化方法设计的Pin-Fin结构,与传统结构相比可以降低12%的结-流热阻,消除了多芯片结温差异的80%,为车用功率模块和电机控制器研究提供新的思路。

多层多孔金属泡沫填充的水基散热器冷却CPU:基于热液和熵产分析角度

本研究利用多层多孔金属泡沫从热液和熵产分析角度来改善散热器的性能,并采用计算流体力学方法进行数值模拟,将结果与单层金属泡沫和无金属泡沫情况进行了比较。对于多层泡沫,考虑了两种模式:层间渗透率随着CPU距离的增加而逐渐增加或减少。结果表明,当泡沫层渗透率随着CPU距离的增加而逐渐减少时,散热器的温度分布均匀性最好,热阻最低,对流系数最高,热液综合性能最好;当泡沫层渗透率随着CPU距离的增加而逐渐增加时,多层泡沫的摩擦熵最低,热熵最高,总熵产率最低。与不含金属泡沫的散热器相比,摩擦熵、热熵和总熵产率分别降低了64.51%~73.02%、42.80%~220.34%和19.68%~62.36%。

高频大功率开关电源结构的热设计

随着高频和大功率开关电源功率密度的不断提高,合理的热设计是保证电源可靠工作的前提条件。本文提出了电源结构热设计的一般方法,给出风机和散热片的详细设计方案,并利用热仿真软件FLOTHERM建立热分析模型,通过热场模拟分析进行电源结构的优化设计。文中以一台15V/2kA的高频开关电源为例验证了该设计的实用性。

型材散热器热特性分析

采用数值方法对型材散射器的三维流场及温度场进行了分析计算 .对流项的离散采取了一阶迎风格式 ,用SIMPLEC算法在交错网格上进行迭代计算 .流场中气体和固体区域采用了整体求解方法 .在此基础上 ,定量分析了结构因素对散热器热阻的影响 .实验数据表明了该算法的有效性 .

高功率二极管激光器模块式微通道冷却器研制

针对高功率二极管激光器（DL）的散热需求．对不同结构的微通道冷却器进行了模拟散热计算．优化了冷却器的结构参数。冷却器采用Cu-WCu合金复合结构，由多层金属片焊接而成，其内部散热片采用具有高热导率的无氧铜制作，上、下表面采用硬度高，热导率也较高的WCu合金制作。这种结构不仅避免了无氧铜较软、面形和棱边质量难控制的缺点，还可提高冷却器的强度．使冷却器可以做得较薄。冷却器外形尺寸为25．0mm×12．0min×1．5mm。使用连续二极管激光器板条和模拟热源对不同内部结构的微通道冷却器的热阻进行了实验测量．冷却器的热阻为0．4～0．8K／W。研制的模块式微通道冷却器可满足连续50w或脉冲功率120W（20％占空比）的高功率二极管激光器板条的散热需求．堆叠的二维叠阵DL可以很好地用作高平均功率DPL的泵浦源。

基于ANSYS分析的水冷散热器多目标优化

为研究某款批量使用的水冷散热器热阻及流阻特性,利用ANSYS软件对其进行热流耦合仿真分析,搭建试验平台对仿真分析结果进行试验验证,仿真分析结果和试验结果误差小于6%,具有较高的一致性。为优化水冷散热器热阻及流阻特性,提出了热阻、流阻最小化的设计目标,结合相关性分析、采用Kriging方法构建响应面模型,利用AMGA优化算法对水冷散热器内部流道结构进行多目标优化设计,通过仿真分析计算得出了最佳的优化方案,与优化前方案相比,优化后的散热器热阻减小7.64%,流阻减小27.72%,实现了散热器最优化设计目标。

大功率半导体激光器实用化微通道热沉

根据大功率半导体器无氧铜微通道热沉的实用化制备工艺特点,利用商用CFD软件FLUENT对微通道热沉内部微通道散热区层间折转通道宽度和热沉前端面壁厚度进行优化设计,并采用化学腐蚀结合扩散焊技术制备无氧铜微通道热沉,微通道尺寸为27 mm×11 mm×1.5 mm.利用低电光转换效率大功率半导体激光阵列器件对所制备热沉进行散热能力测试,激光阵列宽1 cm,腔长1 000μm,条宽200μm,填充因子为50%,微通道热沉热阻0.34 K/W,能满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求.

微槽冷却热沉结构尺寸的优化设计

以热阻和压降作为2个目标函数建立了微槽冷却热沉的多目标优化模型,采用序列二次规划(SQP)方法对微槽的结构尺寸进行了优化设计。优化结果表明:微槽冷却热沉的结构形状对传热性能有很大的影响,与三角形和梯形结构相比,矩形微槽结构的传热效率更高。给出了2种加权系数情况下的优化尺寸,相应的微槽宽度分别为130μm和120μm,槽栅的宽度分别为176μm和350μm,微槽的高度分别为640μm和1000μm,相应的热阻分别为0.4857K/W和0.5094 K/W。对以上得到的优化结构的微槽冷却热沉的流体流动和传热进行了数值模拟,得到芯片的最高温度分别为358.34 K和361.52 K,完全可以满足工作芯片对温度的要求。

新型微通道散热器设计仿真

在传统的硅基微通道散热器原理基础上,通过采用高热导率的散热板,以及特殊的变截面微通道阵列,实现微型散热器工作流体的整体稳定流动和短程均匀散热工作模式.采用ANSYS通用有限元分析软件,给出了典型换热单元在参考流速1m/s,温度283K初始状态下的流速场和温度场,散热器可输运5×107W/m2的热通量,总热阻低至0.0106℃/W.仿真结果初步验证了设计构想的合理性,散热器有望拥有良好工作特性.

基于热交换系数法的散热器等效建模方法研究

针对散热器结构复杂、建模难度大的问题,提出基于热交换系数法利用基座等效整个散热器,简化分析模型.首先由傅里叶定律和牛顿换热公式得到肋片传热的近似解和对流换热热流量,推导出自然对流和强迫对流两种情况下肋片对流换热系数的表达式,并根据能量守恒原则导出基座等效热交换系数关系式.然后用热分析软件Flotherm分别对等效前和等效后模型进行仿真,结果表明热交换系数法是一种行之有效的散热器简化建模方法.该方法同样适用于其它热仿真软件.

基于矢量有限元法的热沉结构电磁辐射研究

高频、高功率芯片工作时会产生大量的热,热沉可以有效地帮助芯片散热.然而在高频环境下,热沉往往成为主要的电磁辐射源,降低了整个系统的电磁兼容能力,所以有必要对热沉的电磁辐射特性进行研究.本文采用矢量有限元法,从不同的接地方式、散热鳍片数目及厚度变化、鳍片高度变化几个方面分析了热沉的电磁辐射特性,提出了影响谐振频率的关键因素,并从电磁兼容角度提出了热沉设计的注意事项.数值仿真表明,合理的选择接地方式可以有效地提高谐振频率,降低电磁能量辐射;散热鳍片的数目和厚度变化对于谐振频率和电磁辐射没有明显的影响,然而鳍片的高度对于电磁辐射能量影响显著.

不同屏蔽措施对电磁干扰抑制的研究

开关器件对地寄生电容是共模电流流通的主要路径,产生的传导EMI会对设备形成不利影响。以充电机水冷散热器为例进行分析,利用金属静电屏蔽特性采取两种措施降低电磁干扰。一种是在开关器件与散热器之间的导热硅脂间插入一接直流0 V地的金属层;另一种是对水冷散热器结构进行改造,将金属水箱分为两部分,利用绝缘密封安装槽连接这两部分,其中一块金属水盖接到直流0 V地上,另一块水盖通过机壳接地。仿真结果表明采用所述方法均能有效地抑制传导共模电流,而后一种方法能达到更好的效果。

FDTD法研究散热片与器件间的耦合电容

散热片与器件间的电容耦合是电路产生共模辐射的主要原因之一 ,其对研究电路的辐射发射特别重要。然而长期以来人们将该电容简化为平板电容 ,采用静电场推导的电容公式计算。但在高频端 ,散热片和器件的尺寸与波长相比拟 ,分布参数影响了该耦合电容的数值。所以本文提出了采用FDTD法计算散热片与器件间的高频耦合电容的构想。数值计算的结果表明 :该电容已经不能看作是一简单常数 ,而是随频率变化的量。频率较低时 ,耦合电容随频率升高快速减小。且耦合电容具有频率选择性。激励源位于散热片的中心耦合电容小 ;绝缘层厚度越薄 ,相对介电常数越大得到的高频耦合电容越大 ,但不是线性变化。在实际散热片的选择和安装过程前必须对其产生的耦合电容进行预测 。

直流供电系统中装备间传导电磁干扰的交互作用机理分析、建模及抑制

直流供电系统中电力电子装备数目众多,装备的传导电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)特性会受到系统中其他装备的影响。为了揭示系统中装备间的EMI交互作用机理,文中以直流供电系统中的两台逆变器为例,研究逆变器在脱网、挂网、运行和停机等工况下对另一台逆变器的不同交互作用的影响。首先,阐述系统中的典型装备和系统运行工况。然后,建立典型装备共模(common mode,CM)高频模型,并进一步得到系统高频模型。其次,根据装备脱网、挂网、运行和停机等不同工况的特点,阐明装备间EMI交互作用机理。针对装备间传导路径所形成的新谐振问题,分析和定位与新谐振有关的重要参数。最后,提出基于散热器浮地的装备间EMI的抑制方法,在谐振峰处有23dB的衰减,有效地抑制了该谐振。仿真与实验结果证明了该机理分析的正确性和抑制方法的有效性。

基于钎焊技术的大功率PEBB散热器性能分析

针对大功率电力电子积木模块(PEBB)功率密度与散热之间的矛盾,提出了一种基于真空钎焊技术的散热器技术方案。首先,通过建立PEBB的功率耗散模型,定量计算出PEBB功率损耗值。然后,通过建立PEBB的热阻抗模型,结合PEBB功率损耗,定量估算出PEBB结温、壳温及散热器自身温升等重要指标参数,从而为真空钎焊散热器设计提供了理论依据。最后,通过flotherm软件仿真并搭建原理样机进行实验验证,实验结果与理论分析值基本吻合,从而证实了该真空钎焊散热器是一种适合于大功率开关器件的较为理想的散热器。