电动汽车变流器用IGBT水冷散热器热仿真分析
基于ICEPAK的水冷基板散热器数值模拟分析
科学技术创新2020.33基于IC EPAK的水冷基板散热器数值模拟分析张新(吉林铁道职业技术学院,吉林吉林132200)摘要:利用ICEPAK流体及传热分析软件对机车上牵引变流器装置的水冷基板式散热器进行建模,建模完成后进行流体流场分析及传热分析。
关键词:ICEPAK;水冷基板散热器;数值模拟中图分类号:U264.2+2,TP15文献标识码:A文章编号:2096-4390(2020)33-0052-02交流传动电力机车是我国所使用的主要车型,其内部安装有多种电器设备,电器设备在运行时会生成许多的热量,如果不能够及时散热,不但会妨碍电器设备的正常功能,还可能会引发故障,导致设备损坏,造成不必要的损失。
现今在工程应用方面,散热器的形式是多种多样的,但水冷散热器由于设计结构难以掌握,容易影响散热效果,若是靠着一次次的试验尝试,周期长,费用高,还可能受到环境、仪器设备等客观条件影响,导致试验的结果不准确,从而到不到理想的散热效果。
但若是提前通过CFD方法数据模拟,仿真分析,能够不断实现结构优化,节约开发成本,节省时间,确保产品质量。
本文通过ICEPA K软件进行数据仿真分析,对象为国内某电力机车所使用的水冷式散热器,通过得到的流体流动和温度分布分析从而进行结构优化。
1问题描述水冷散热器的设计应该在冷却能力确保机车上的所有装备能够在最高温度条件下正常运行的前提下,尽量节约成本,比如水冷散热器的材料,体积,重量,人工等各个方面。
从这个角度出发,我们可以选用铝制的水冷板,并且水冷板不得有弯曲变形,表面粗糙度要低。
之所以选用铝板,是由于在体积相同的前提下,铝制材料的散热性能较铁质材料要更好一些,同时密度又低,这样可以大大提高性价比,适合批量生产。
本次所选用水冷板的尺寸参数如图1所示,尺寸为长×宽×高=300毫米×300毫米×30毫米。
图1功率元件布置图2进行热力分析及仿真2.1模型建设我们已经确定了水冷板的外形尺寸为长×宽×高=300毫米×300毫米×30毫米,接下来我们先使用ICEPA K软件中的c a b in e t命令获得求解域,紧接着按照我们确定的散热器水冷板外形数据采用b l o c k命令生成水冷板,最后再使用s o u r c e/o pe ning等功能完善出IGBT模块和二极管等发热模块的热量来源、冷却水的流动方向的位置与基本参数。
IGBT模块热网络模型及电路仿真应用
IGBT模块热网络模型及电路仿真应用IGBT芯片在模块内工作时面临高压大电流环境，每个芯片因位置差异导致其温度各不相同，因此直接精准测量每个芯片的结温基本上是不可能的。
通常使用建立IGBT模块简化模型的方法，通过计算、仿真等方法得到IGBT模块内部芯片的等效结温，称为虚拟结温，用标志Tvj来表示。
广义上来说，谈到IGBT模块结温的时候，大部分情况下其实都是在说虚拟结温Tvj。
图1 IGBT模块内部结构IGBT模块的真实热传导路径应当是三维的，热量从芯片发出，通过横向（X，Y）和纵向（Z）路径传导。
由于模块内部结构复杂，所以模块内每一层材料上不同点的温度不一定相同，热传导形成的等温面可能是不规则的曲面（如图2）。
图2 IGBT模块内部传热路径和等温面半导体器件厂商为了量化半导体器件内部的虚拟结温Tvj，提出了一维分层热结构模型的方法。
该方法基于以下假设：(1)IGBT模块内部的传热路径简化为从内部芯片到外部基板的一维路线热结构模型（实际上其它路径的传热量的确远小于该路径）；(2)热结构模型体现的是模块内部等温面的分布，而不是对IGBT 模块内部物理结构的简单等效。
一、用电路理论分析热模型1.Cauer热网络模型将物体内部按材料进行分层，每一层都有其对应的热阻、热容，这种基于物体内部不同材料的真实物理特性建立的热网络模型叫做Cauer网络模型。
Cauer热网络模型可以用电路模型来等效。
模块外部的导热材料和散热器模型也可以一并加入热网络模型。
热源（W）可以对应电流源（A），热阻（K/W）可以对应电阻（Ω），热容（J/K）可以对应电容（F），温度（K）可以对应电压（V）。
有了这样的对应关系，即可将热模型转化为电路模型。
如图3所示，即为Cauer热网络模型转化成电路模型的情况。
图3 Cauer热网络模型转为电路模型通过电路仿真软件，将模块工作时的损耗用数学模型表示成电流，输入等效电路模型，监测各层的电路节点电压，即可得到各层的仿真温度。
晶闸管水冷散热器的热仿真与实验
晶闸管水冷散热器的热仿真与实验丁杰;张平【摘要】为协调散热性能与流动阻力的矛盾关系,开发了一款基于阿基米德螺旋流道结构的晶闸管水冷散热器.分别利用HyperMesh和FLUENT软件划分高质量网格与求解计算,得到了流速分布与温度场分布,可以看出冷却水在水冷散热器中间部位出现流速不均,导致中心部位的温度最高.通过分析冷却水流量、温度和发热量等因素对温升与压降的影响可知:入口流量不变时,温升随发热量增大而提高;发热量不变时,温升随入口流量增大而降低,流量增大至一定程度,温升受入口流量的影响很小;入口流量不变时,温升随冷却水温度升高略有下降;压降随入口流量增大而急剧上升;压降随冷却水温度提高而小幅度下降.建立了样品测试环境,测量了不同入口流量下的试验数据,对比分析可知仿真结果的准确性.对水冷散热器中间部位的流道进行改进后,最高温度降低了7.8％.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)007【总页数】4页(P177-180)【关键词】晶闸管;水冷散热器;阿基米德螺旋流道;温升;压降【作者】丁杰;张平【作者单位】湘潭大学土木工程与力学学院,湖南湘潭411105;南车株洲电力机车研究所有限公司南车电气技术与材料工程研究院,湖南株洲412001;湘潭大学土木工程与力学学院,湖南湘潭411105【正文语种】中文【中图分类】TH16;TN34;TK172大功率晶闸管作为高压直流输电、柔性交流输电等装置的核心器件，其可靠性直接影响电力电子装置乃至电力系统的安全可靠运行[1]。
晶闸管运行过程中，芯片会产生大量的热量而引起结温的升高。
半导体理论与试验研究表明晶闸管的电气特性和使用寿命与结温及其变化有直接的关系[2-3]，晶闸管在应用时普遍采用散热能力强的水冷方式将损耗带走，以控制结温在可靠的工作范围之内，因此，水冷散热器是保证晶闸管可靠运行的关键。
散热性能与流动阻力是水冷散热器设计时需要综合考虑的两个主要因素，由于水冷散热器的结构通常比较复杂，较难通过经验公式直接进行准确地计算。
IGBT模块及散热系统的等效热模型
IGBT模块及散热系统的等效热模型数据手册里给出的IGBT的Foster热路模型是按照采纳某一特定散热器散热时测量得到的。
对于风冷的散热器，因为模块中的热流分布广泛，因此在测量时有更好更低的Rthjc。
而对于水冷散热器，因为热流分布受限制，因此测量时得到相对更高的Rthjc。
英飞凌在数据手册中描述模块特性时，是采纳基于水冷散热器的Foster热路模型，即采纳了相对不利的散热工作状况来描述模块热特性，因此采纳这样的热特性做系统设计时对模块有更高的平安系数。
因为IGBT和散热器的两个热路网络串联，因此注入芯片的功率——类比于图4中的电流——没有延时的立刻传到散热器上。
因此在最初阶段，结温的升高依靠于采纳的散热器的种类，事实上是依靠于散热器的热容量。
然而，风冷系统中散热器的时光常数从几十到几百秒，这远远大于IGBT 本身的大约为1s的时光常数。
在这种状况下，散热器的温度升高对IGBT 温度惟独很小的影响。
而对于水冷系统，这个影响则很大，因为水冷系统的热容量相对低，即时光常数相对较小。
因此，对于“十分快”的水冷散热器，例如对IGBT基板挺直水冷的系统而言，应当测量IGBT 加上散热器的囫囵系统的Zth。
因为对模块中的热量传递有耦合互相作用的影响，因此无论是在Cauer 热路模型还是在Foster热路模型中，只要IGBT和散热器的建模和Zth 的测量是彼此自立分开的，IGBT和散热器的衔接用法就可能有问题。
而要克服这个问题，则要将IGBT模块和散热器做整体热建模或者实测其瞬态热阻抗。
一个彻低没有问题的IGBT加散热器系统的建模只能通过测量热阻Zthja得到，即同时对通过IGBT的结、导热胶和散热器到环境的囫囵热量流通路径举行测量。
这就是建立囫囵系统的Foster热路模型，通过这个模型就可以精确地算出结温。
普通散热器厂商会给出一阶的热平衡时光即3倍的值，用一阶分式拟合可表示为公式：第1页共2页。
牵引变流器中IGBT的水冷实验研究
环流过功率电子元件的安装基板 ， 功率模块产生 的 热量被循环水带走 ， 然后水泵将此混合剂抽人到空
气一 水热交换器中， 将热量散发到周围空气环境中 ，
达 到冷却 的效 果 。 冷却 系统 结构如 图 １ 示 。 所
冷却散热基板内介质流动如图 ２ 所示。
１ ２ 目的 ．
ＩＢ Ｇ Ｔ产生的热量能否及 时、 高效 的散掉， 表现
在 ＩＢ Ｇ Ｔ与 冷板 接 触 表 面 的壁 温 的 大小 ， 且 是 壁 并 温越 小越好 ， Ｉ Ｂ 即 Ｇ Ｔ的壁温越低 越好 。
由牛顿冷却公式我们知道，
ｎ
将会超过最大值 １５ ＩＢ ２ ￣ Ｇ Ｔ就可能损坏。有统计 Ｃ， 资料表 明， 电子元器件温度每升高 ２ 可靠性下降 ℃， １ ％； ０ 温升 ５ ℃时的寿命只有温升为 ２ ￣ 时的１６ Ｏ ５Ｃ ／，
ｔ Ｊ Ｉｔ
进 口温度 ｔ 出 口温 度 ｔ ， 用 ＝ 利
二
， 到 得
冷 却 液 的温度 ｔ 单 位 ： 发 热 块 的加 热 采 用 直 流 Ｋ；
稳压电源通 电的方式实现， 用安培表、 伏特表分别测 得 电路 中的 电流 Ｉ电压 Ｕ， 用公 式 Ｐ＝Ｕ ， 、 利 ＩＱ＝Ｐ ，
受其 他 条件 的限制 ， 以有效 的降低 。 可
所 以， 当表面传热系数最大时 ， 最小 ， 也就是使 得 ＩＢＴ的表 面壁 温最低 ，Ｇ Ｔ的工 作更 安 全 、 可 Ｇ ＩＢ 更
靠。 因此 ， 如何 获得 冷 却散 热 基 板 最 大 的表 面传 热
图 ４ 实 验 系统
该系统主要包括 １ 个恒温水箱 ， 个 电动水泵 ， １ ｌ 套水净化装置及水补 给系统 ， 套 乙二醇补 充系 １ 统 ， 直 流 电源 系统 （ 括 ２个 伏 特 表 ， 安 培 ２套 包 ２个
新能源汽车驱动电机壳体冷却结构设计及热仿真分析
ΔP=
0.067ρ0f.75
μ Q 0.25 1.75 fin
(
LS+c n
-c+H )1.25 L
（
LS+c n
-c）3H3
3 电机壳体螺旋形冷却通道热仿真分析
本 文 采 用 Fluent 抽 取 水 道 结 构 模 型， 获 得 水 道 流 体 体 积 为 0.46L。 电 机 散 热 边 界 条 件 为： 冷 却 介 质 流 量 8L/min， 电 机 入 水 口 水 温 70 ℃， 电 机 初 始 温 度 和 环 境 温 度 均 为 70 ℃， 外 部 对 流 换 热 系 数 为 8W/ (m2·K)。 在 此 条 件 下， 对 额 定 工 况 点
Key words：new energy vehicles, permanent magnet synchronous motors
当前，在国家节能减排政策的支持下， 新能源电动汽车产业获得了迅猛发展，传统 燃油汽车向电动汽车方向发展已经一种必然 趋势。永磁同步电机由于具备高功率密度、 高效率、高可靠性与安全性，已被广泛应用 于新能源电动汽车的驱动系统中。通常，新 能源电动汽车电机运行环境温度较高（通常 高于 70℃），同时还要求驱动电机必须具备 较强的过载能力、动态响应能力，这就会带 来电机温升问题。而较高的电机温升会影响 驱动电机运行的可靠性和使用寿命，直接影 响整车的动力性能，因此，如何更好的解决 新能源电动汽车运行过程中的电机的温升问 题，保证驱动电机运行的可靠性，合理设计 驱动电机冷却系统，就具有十分重要的意义。
A b s t r a c t ：This paper focuses on the problem of motor temperature rise of drive motors during the operation of new energy vehicle. It focuses on the analysis of the heat transfer method of the drive motor housing and the design of the cooling channel structure of the motor housing. The relationship between the cross-sectional size of the cooling channel and the resistance loss along the cooling channel is analyzed. At the same time, with the help of ANSYS thermal simulation technology, thermal simulation analysis of the temperature rise of the driving motor of the spiral cooling structure was carried out.
IGBT热仿真建模分析
IGBT热仿真建模分析IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种常用的功率半导体器件，其拥有低开通电压、高阻断电压和高电流能力的优点，因此在电力电子领域广泛应用。
热仿真建模分析是对IGBT进行电热特性模拟和分析的方法，本文将对IGBT热仿真建模分析进行探讨。
首先，IGBT的热仿真建模分析是基于热传导方程和瞬态热特性来进行的。
热传导方程描述了功率半导体器件内部的热传导过程，而瞬态热特性则描述了器件在瞬态工作条件下的温度变化过程。
在进行IGBT的热仿真建模分析时，首先需要确定模型的几何结构。
IGBT的结构包括导电层、绝缘层、衬底以及金属电极，这些结构在热仿真中需要被建立为相应的热传导模型。
其次，在建立热仿真模型时，需要确定IGBT的材料参数和边界条件。
材料参数包括导电层和绝缘层的热导率、热容以及密度等，而边界条件则包括器件的热界面温度和散热条件等。
然后，根据所选取的热传导模型和边界条件，利用热传导方程进行热仿真计算。
热传导方程是一个偏微分方程，其解可通过有限元方法或其他数值求解方法获得。
在进行瞬态热仿真时，需要考虑器件在工作过程中的瞬态功耗和瞬态散热等因素。
最后，根据热仿真分析的结果，可以得到IGBT的温度分布、温升和热耗散等信息。
这些结果可以用于评估器件的热稳定性、散热设计和寿命预测等方面。
总结起来，IGBT热仿真建模分析是一种对该功率半导体器件进行电热特性模拟和分析的方法，主要涉及到几何结构建模、材料参数确定、热传导方程求解以及结果分析等步骤。
通过热仿真建模分析，可以更好地了解IGBT的热特性，为器件的设计和应用提供参考依据。
电动汽车变流器用IGBT水冷散热器热仿真分析
电动汽车变流器用IGBT水冷散热器热仿真分析丁杰;张平【摘要】An IGBT water cooling radiator used in an electric vehicle converter was studied. Considering that the average Reynolds number of each channel was in the transition region, steady state temperature of the radiator was calculated by using the laminar model, the standardk-ε turbulence model and six kinds of different low Reynolds number turbulence models with FLUENT software, respectively. Transient problem of the radiator was calculated by using self-developed model order reduction calculation program. Through verifying the accuracy of model order reduction method, transient thermal simulation of typical Chinese urban road conditions was carried out to obtain the temperature variation curves of each chip in IGBT device at different time. The results show that the heat dissipating performance of the water cooling radiator can meet the demand of typical Chinese urban road conditions.%以某电动汽车变流器用IGBT水冷散热器为研究对象,考虑到IGBT水冷散热器内部各槽道平均雷诺数(Re)处于过渡区,利用FLUENT软件分别采用层流、标准k-ε湍流模型和6种低Re 数湍流模型计算IGBT水冷散热器的稳态结果.运用自主开发的模型降阶计算程序对IGBT水冷散热器进行瞬态问题快速计算,在验证模型降阶方法准确性的基础上,对基于中国典型城市道路工况的瞬态热仿真进行快速计算,得到IGBT元件各芯片在不同时刻的温度变化曲线.研究结果表明:该水冷散热器的散热性能满足中国典型城市道路工况的需求.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(048)002【总页数】8页(P525-532)【关键词】电动汽车;变流器;IGBT;水冷散热器;模型降阶;瞬态计算【作者】丁杰;张平【作者单位】湘潭大学土木工程与力学学院,湖南湘潭,411105;南车株洲电力机车研究所有限公司南车电气技术与材料工程研究院,湖南株洲,412001;湘潭大学土木工程与力学学院,湖南湘潭,411105【正文语种】中文【中图分类】U464.138为缓解能源和环境对人类生活与社会发展的压力，世界各国相继开发电动汽车[1]。
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Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａｎ Ｉ ＧＢＴ ｗａ ｔ ｅ ｒ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｔ ｏ ｒ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ａ ｎ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ｗａ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ． Ｃｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｇ ｅ
丁 杰 一 ， 张平
（ １ ．湘潭 大学 土木 工程 与力学学院，湖 南 湘潭 ，４ １ １ １ ０ ５ ；
２ ．南车株 洲电力机 车研 究所有 限公 司 南车 电气技 术与材料 工程研 究院，湖南 株洲 ，４ １ ２ ０ ０ １ ）
摘要 ：以某 电动汽车变流器用 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ水冷散热器为研究对象 ， 考虑到 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ水冷散热器 内部各槽道平均雷诺数（ Ｒ ｅ ） 处于过渡 区，利用 Ｆ Ｌ ＵＥ ＮＴ软件分别采用层流 、标准 ｓ 湍流模 型和 ６种低 Ｒ ｅ数湍流模 型计算 Ｉ ＧＢ Ｔ水冷散热 器 的稳态结果 。运用 自主开发的模型 降阶计算程序对 Ｉ ＧＢ Ｔ水冷散热器进行瞬态 问题 快速 计算 ，在验证模型 降阶
关键词 ：电动汽车 ；变流器 ；Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ；水冷散热器 ；模型降阶 ；瞬态计算
中 图分 类 号 ：Ｕ ４ ６ ４ ． １ ３ ８ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文章编号：１ ６ ７ ２ — ７ ２ ０ ７ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ２ — ０ ５ ２ ５ － ０ ８
Ｔｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｉ ＧＢＴ ｗａ ｔ ｅ ｒ － ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎｇ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｔ ｏ ｒ ｆ ｏ ｒ
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电动汽车 变流器用 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ水冷散 热器热仿真分析
２ ． ＣＳ Ｒ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ＆ Ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ．
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方 法 准 确 性 的基 础 上 ，对 基 于 中 国典 型 城 市 道 路 工 况 的 瞬 态 热 仿 真 进 行 快 速 计 算 ， 得 到 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 元件 各 芯 片 在 不 同 时刻 的温 度 变 化 曲线 。研 究 结 果 表 明 ：该 水 冷 散 热 器 的 散 热 性 能 满 足 中 国典 型 城 市 道 路 工 况 的 需 求 。