多热源蒸汽腔组件的传热性能研究.pdf

中文摘要 摘 要 随着能源形势的日渐严峻，新能源汽车的发展已成为必然的趋势。 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块作为新能源汽车中功率控制单元的心 脏，在未来 20 年里将呈现出爆发式增长。随着载流量和开关频率的增加，IGBT 2 2 模块的热损耗将从 100 W/cm 增加到500W/cm ，散热将成为IGBT 模块制造和运 行面临的主要问题。现有的许多IGBT 模块冷却方式中都存在着散热能力不够、空 间利用率不高、结构复杂且成本高等问题。蒸汽腔因具有极高的导热系数和良好 的均温性能而被视为最有前景的冷却方案之一。 本文用陶瓷加热片来模拟IGBT 模块中的IGBT 芯片和续流二极管（FWD ）芯 片。将芯片与蒸汽腔整合形成多热源蒸汽腔组件，实验研究了芯片（热源）的数 量和布置方式对组件的传热特性的影响。主要结论如下： 在等功率芯片实验中，改变芯片的数量设计了四种布置方式，保持各布置中 芯片总的加热功率一致，依次从10W 递增到80W，对组件的传热特性进行了分析。 总的来说，随着加热功率的增加，单热源组件和双热源组件的一维热阻、扩展热 阻和总热阻均呈现出先下降后上升的趋势，并在总加热功率分别为20W 和60W 时 有最低值；三热源组件和四热源组件的三个热阻随着加热功率的增加先降低然后 趋于平稳，在本实验的最大加热功率下仍未出现传热极限；扩展热阻在总热阻的 组成中占大部分，在相同的总加热功率下，芯片数量越多，组件的扩展热阻越小。 单热源、双热源以及三热源组件中的扩展热阻大于一维热阻，且所占比重随芯片 数量的增加而降低，在四热源组件中，扩展热阻小于一维热阻。 在非等功率芯片实验中，模拟IGBT 芯片和FWD 芯片的功率分别为83.3W 和 10.7W。通过改变蒸汽腔表面FWD 芯片之间的横向间距 s1、FWD 芯片与 IGBT 芯片之间的横向间距s2 以及纵向间距s3 进行了一个三因素四水平的正交试验，通 过极差分析得到了三个尺寸对多热源组件传热性能的影响规律。实验结果表明多 热源组件的总热阻随着s1、s2 和s3 的增加而减小， 其中s3 对蒸汽腔多热源组件 的传热性能影响最大，其次是s2，最后是s1 。与相同结构尺寸的铜基板组件比较， 蒸汽腔组件中各芯片的自热阻和耦合热阻均更小。除此之外，蒸汽腔组件还具有 更快的响应速度和更好的均温性能。因此，在IGBT 模块中用蒸汽腔来替代纯铜基 板能够提高模块的传热性能。 关键词：蒸汽腔；多热源；热阻；均温性；IGBT I 英文摘要 Abstract With the increasingly severe energy crisis, the development of alternative fuel vehicles has become an inevitable trend. Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), as the key part of the Power Control Units (PCUs) in alternative fuel vehicles, should exhibit explosive growth in the next twenty years. With the increasing of output power, 2 the heat flux in IGBT chip will reach 500W/cm , and thus cooling will be the major problem in IGB