IGBT 功率模塊熱管理研究簡述

來源：熱管理

摘要：隨著絕緣柵雙極晶體管（IGBT ）向高功率和高集成度方向發(fā)展，在結(jié)構(gòu)和性能上有很大的改進(jìn)，熱產(chǎn)生問題日益突出，對散熱的要求越來越高，IGBT 芯片是產(chǎn)生熱量的核心功能器件，但熱量的積累會嚴(yán)重影響器件的工作性能。因此，對 IGBT 模塊的溫度進(jìn)行有效地檢測和管理是十分重要的環(huán)節(jié)。綜述了IGBT 模塊的研究現(xiàn)狀、研究熱點(diǎn)以及散熱相關(guān)技術(shù)，主要介紹了主動散熱和被動散熱的方法、以及 IGBT 功率模塊的熱阻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟，和減小熱阻來增強(qiáng)散熱的方法。

關(guān)鍵詞：IGBT 功率模塊 熱管理 熱管

絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）功率半導(dǎo)體模塊作為新能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和高壓電源開關(guān)裝置中的關(guān)鍵部件，代表了一種新型的功率半導(dǎo)體場控自關(guān)閉電子器件。廣泛應(yīng)用于照明、汽車、高鐵、等領(lǐng)域，未來10年是IGBT 功率模塊發(fā)展的黃金期，它在頻率較高的中大功率應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位，目前尚未發(fā)現(xiàn)有其他產(chǎn)品可以替代 IGBT 功率半導(dǎo)體模塊在電力電子設(shè)備中的關(guān)鍵作用。IGBT 功率半導(dǎo)體模塊的弱點(diǎn)是過壓過熱 。因此，它處理熱量的能力限制其高功率的應(yīng)用。IGBT 結(jié)合了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（metal‐oxide‐semiconductor field‐effect transistor，MOSFET ）和雙極型晶體管（bipolar junction transistor ，BJT ）的優(yōu)點(diǎn)，具有驅(qū)動電路簡單、低穩(wěn)態(tài)損耗、承受短路能力強(qiáng)等優(yōu)勢，IGBT 功率半導(dǎo)體模塊的各項(xiàng)參數(shù)和工作性能也有了很大的提高，更適用于電力電子器件，它是大功率半導(dǎo)體中最具代表性的平臺器件，能大幅提高電機(jī)驅(qū)動的效率。IGBT 作為電力電子控制電路的核心之一，推動電力電子器件的發(fā)展，近年來，快速發(fā)展，并在冶金、可再生能源等多種不同行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，有助于利用可持續(xù)清潔能源緩解全球化石能源危機(jī)和環(huán)境問題 。

然而，作為大功率變換器的關(guān)鍵部件，IGBT 的熱流密度趨向于高功率、高集成度發(fā)展，模塊也因其高頻傳導(dǎo)和開合而不斷集中產(chǎn)生大量的熱 ，影響器件的性能。大部分的 IGBT 功率半導(dǎo)體模塊的失效原因都與熱量有關(guān) 。如果沒有有效的散熱方式 ，模塊溫度將很快達(dá)到甚至超過結(jié)溫（150 ℃ ），嚴(yán)重影響 IGBT 的工作性能、安全性及可靠性，使開關(guān)斷速度、通態(tài)壓降、電流拖尾時(shí)間、關(guān)斷電壓尖峰和損耗等性能指標(biāo)變差 ，溫度過高甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)器件乃至整個(gè)系統(tǒng)模塊的損壞，對 IGBT 的安全性和可靠性構(gòu)成嚴(yán)重威脅 。為了滿足 IGBT 器件應(yīng)用日益增長的要求 ，容量和可靠性成為 IGBT 器件面臨的巨大挑戰(zhàn) 。與其他電子設(shè)備類似，一個(gè)高效、穩(wěn)定、方便和緊湊的冷卻系統(tǒng)對 IGBT 器件的設(shè)計(jì)具有重要意義 ，以確保其安全和穩(wěn)定的工作。對 IGBT 功率器件進(jìn)行熱管理設(shè)計(jì)，是解決 IGBT 功率器件散熱的必要措施和有效手段。本文綜合概括了當(dāng)前國內(nèi)外 IGBT 功率模塊熱管理的研究現(xiàn)狀、研究熱點(diǎn)以及散熱相關(guān)技術(shù)，并進(jìn)行了全面的整理與分析，為解決 IGBT 模塊散熱設(shè)計(jì)的問題提供了重要的參考價(jià)值，進(jìn)一步為器件熱性能的可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ) 。

1 IGBT 功率器件熱阻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

通常情況下，IGBT 功率器件的向下散熱傳遞路徑可描述為：當(dāng) IGBT 功率器件通電時(shí)，在電壓和電流的作用下，IGBT 芯片由于存在通態(tài)損耗和開關(guān)損耗而產(chǎn)生大量的熱。散熱路徑由上到下依次為：芯片 → 陶瓷覆銅板 → 基板 → 散熱器，最終由散熱器與空氣通過對流傳熱和輻射傳熱，利用主動散熱或被動散熱將熱量帶走，整個(gè)傳導(dǎo)過程中存在熱阻，熱阻是影響 IGBT 功率模塊散熱的主要因素，要想增強(qiáng)散熱效果，減小熱阻是最主要的方法。

圖1 所示為逆變焊機(jī)中 IGBT 功率模塊熱傳遞原理圖。通過錫焊工藝將芯片、陶瓷覆銅板和基板焊接在一起，基板和散熱器之間涂抹導(dǎo)熱硅脂，增強(qiáng)導(dǎo)熱。

圖 1 IGBT 熱傳遞原理圖

逆變焊機(jī)中 IGBT 功率模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可以分析出熱流傳遞通道為：芯片→芯片焊接層→銅→陶瓷→銅→系統(tǒng)焊接層→基板→導(dǎo)熱硅脂→散熱器→環(huán)境。殷炯等提出一種熱阻等效電路的方法來確定散熱系統(tǒng)熱阻參數(shù)對系統(tǒng)熱阻的影響，參數(shù)包括功率元件材料和結(jié)構(gòu)特性、散熱器與模塊表面接觸情況等，結(jié)果得出不同風(fēng)速對冷卻效果的影響程度以及保證模塊可靠工作的最低風(fēng)速；鄧二平等通過用兩種不同測試方法進(jìn)行熱阻測試并對比研究，結(jié)果顯示傳統(tǒng)熱電偶法只適用于測量焊接式IGBT 模塊結(jié)到殼熱阻值，瞬態(tài)雙界面法既適用于測量焊接式 IGBT 模塊結(jié)到殼熱阻值，也適用于測量壓接型 IGBT 模塊結(jié)到殼熱阻值。

熱阻網(wǎng)絡(luò)主要由3個(gè)環(huán)節(jié)所構(gòu)成：材料體積熱阻、熱界面材料熱阻、元件到環(huán)境熱阻。因此，從IGBT 芯片到環(huán)境溫度的總熱阻模型可以表達(dá)為：

R＝Rjc＋Rcs＋Rsa （１）

式中：Rjc為 IGBT 芯片到銅基板的熱阻；Rcs 為銅基板到散熱器的熱阻；Rsa 為散熱器到外界環(huán)境的熱阻。

目前，IGBT 功率模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)很成熟，眾所周知，要想減小模塊內(nèi)部的界面熱阻和材料熱阻十分困難。因此，現(xiàn)在的散熱偏向于對 Rsa 的研究，目的是減小熱阻，盡快的將模塊產(chǎn)生的熱量散熱到空氣中，降低模塊溫度。本文主要綜述了 IGBT 模塊到環(huán)境的散熱技術(shù)，主要分為主動散熱和被動散熱，散熱技術(shù)涉及熱管散熱技術(shù)、基于 PCM 的散熱器、空氣射流和液體射流等。

2 IGBT 功率模塊散熱分析與設(shè)計(jì)

IGBT 作為能量變換與傳輸?shù)暮诵脑?，廣泛應(yīng)用于化工、冶金、軌道交通和新能源等領(lǐng)域，為利用可持續(xù)清潔能源緩解全球化石能源危機(jī)和環(huán)境問題做出了大量努力。功率模塊通過熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射的方式將熱量傳遞到大氣中。針對 IGBT熱量密度和應(yīng)用場景不同，需要用不同的散熱方式，主要分為被動散熱和主動散熱。兩者主要區(qū)別在于被動散熱是通過自然對流散熱將熱量散發(fā)到大氣環(huán)境中，不借助外界力，主動散熱是利用風(fēng)冷或水冷的散熱方式，借助外力通過強(qiáng)制對流傳熱將熱量散發(fā)到空氣環(huán)境中。被動散熱比主動散熱結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高，但散熱效果不太明顯，主動散熱由于借助外力散熱效果好，冷卻速度快?；跓嶙杈W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型對 IGBT 功率模塊進(jìn)行散熱分析與設(shè)計(jì)，有可能達(dá)到最優(yōu)的散熱效果。

3 IGBT 功率模塊散熱技術(shù)

3.1 被動散熱

3.1.1 翅片散熱技術(shù)

IGBT 功率模塊產(chǎn)生的熱量通過散熱器翅片自然對流散發(fā)。根據(jù)對流散熱的牛頓冷卻公式，對于面積為 A 的接觸面，自然對流散熱的散熱量為：

?＝AhΔt（２）

式中：? 為散熱量；A為散熱面積；h為對流換熱系數(shù)；Δt 為溫差?？梢姡崞骺梢酝ㄟ^增加 A 和增大h 來強(qiáng)化散熱效果 。

當(dāng) IGBT 功率模塊發(fā)生自然對流散熱時(shí)，其中影響翅片散熱流場的力主要分為2大類：自然對流流場驅(qū)動力與翅片陣列阻力。圖2所示為2種不同翅片的排列形式示例，相關(guān)參數(shù)：翅片間距、結(jié)構(gòu)、高度、方位等都會影響翅片的散熱效果。Charles等構(gòu)造了不同形狀的翅片，包括梯形、倒梯形、矩形等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，倒梯形的傳熱系數(shù)比梯形和矩形分別高25％ 和10％。設(shè)計(jì)并優(yōu)化水平板翅片散熱器的翅片厚度、高度和間距，一般以使用最小材料和散發(fā)最大熱量為目標(biāo)。

圖2 散熱器不同的翅片排列方式

常用的散熱片材質(zhì)是銅和鋁合金，通過壓鑄、擠壓等工藝制造而成，一般散熱器材質(zhì)是鋁合金，鋁合金不僅導(dǎo)熱性能好，而且性價(jià)比高。Chang等開發(fā)了石蠟／石墨納米板復(fù)合相變材料直翅散熱片，用于 IGBT 的熱管理。鋁散熱器空腔中存儲復(fù)合相變材料（pulse code modulation，PCM ），GNPs 作為一種有效的熱媒體，增強(qiáng) PCM 活性以提高石蠟熱導(dǎo)率，采用差示掃描量熱儀進(jìn)行試驗(yàn)研究熔體等熱性能、凝固溫度和潛熱，最終發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率提高了近5倍 。

3.1.2 熱管冷卻技術(shù)

熱管作為兩相傳熱設(shè)備，它們具有低傳熱溫差、高傳熱性能、小尺寸和出色的溫度一致性的優(yōu)點(diǎn)，并且熱管的機(jī)制和工作原理簡單，不需要機(jī)械維護(hù)，提供了非常有前途的解決方案。根據(jù)蒸發(fā)／冷凝循環(huán)，熱管具有高有效熱導(dǎo)率，并具有純被動方式運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。熱管由密封的容器、管芯和一定量的處于液／氣狀態(tài)的工作流體組成平衡。熱量從外部施加到蒸發(fā)器，并由冷凝器的外部散熱器釋放。由于冷熱段之間的壓力差，產(chǎn)生的蒸氣從蒸發(fā)器被驅(qū)動到冷凝器。由凝結(jié)產(chǎn)生的液體通過芯吸結(jié)構(gòu)的存在而產(chǎn)生的毛細(xì)泵作用流回蒸發(fā)器。

熱管因其高導(dǎo)熱性能散熱效果好，在 IGBT 半導(dǎo)體功率模塊散熱領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，IGBT芯片以熱傳導(dǎo)的散熱方式將熱量傳遞到基板，基板再通過熱管在全封閉真空管殼內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)將熱量散發(fā)到空氣中，達(dá)到散熱的效果。熱管散熱器的工作原理示意圖，如圖3所示。

圖3 熱管散熱器原理圖

一般熱管不單獨(dú)作為散熱器使用，通常嵌入翅片，散熱效果更好。Xiahou 等研究分析了現(xiàn)有IGBT 功率器件散熱器的結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)和優(yōu)化陣列冷端平面熱管，降低了 IGBT 功率器件，增強(qiáng)了散熱效果。圖4為傳統(tǒng)熱管散熱器與陣列冷端平面熱管對比圖。

圖4 2種熱管單元對比

圖4（a）與圖4（b） 分別為傳統(tǒng)熱管散熱器與陣列冷端平面熱管中的單管。圖4（b）中的空心基板與熱管通過焊接成為一個(gè)空腔整體，將蒸發(fā)端作為整個(gè)基板底面，增大蒸發(fā)端熱接觸面積且具有均溫效果。去除了基板的導(dǎo)熱熱阻、熱管與基板間的接觸熱阻，傳熱性能更好。Huang 等提出一種新型的對稱且高度連續(xù)變化的翅片陣列，如圖5所示，通過減小流阻來改善自然對流換熱。

圖 5 帶有可變高度翅片真陣列的熱管散熱器

通過三維數(shù)值計(jì)算，比較不同高度可變翅片陣列的熱管散熱器的傳熱性能。研究表明，增加散熱片間距（s）和最大散熱片高度差（p）可以大大降低單位功率的材料成本 Mtot，但對總熱阻 Rtot 影響更復(fù)雜。并且基于響應(yīng)面法，以最小 Rtot 和 Mtot 為目標(biāo)，融合 NSGA‐II 和 TOPSIS 的兩階段方法，進(jìn)行了參數(shù)研究和多目標(biāo)優(yōu)化分析，獲得的帕累托解集在參數(shù)狀態(tài)圖中呈區(qū)域分布，表明 s 和 p 對系統(tǒng)性能密切相關(guān)，而不是相互獨(dú)立的。

影響熱管散熱器的因素有很多。徐鵬程等通過分析熱管散熱器，建立熱管散熱器模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，探究了影響熱管散熱器熱性能的影響因素：翅片的厚度和間距，結(jié)果表明了翅片的厚度與間距變化時(shí)，散熱器的摩擦系數(shù)與傳熱因子的變化情況。汪雙鳳研究了影響熱管散熱器極限熱輸送的因素：冷凝段長度、脈動熱管加熱段，結(jié)果顯示，要使得極限輸送能力最大，在低充液率情況下，必須滿足加熱段長度等于冷凝段長度；在高充液率情況下，必須滿足加熱段長度大于冷凝段長度。

在過去的十年中，已經(jīng)有許多研究人士對許多小型原型進(jìn)行了廣泛的研究，表明可以獲得與金剛石基板相當(dāng)?shù)纳嵝阅堋Ｕ魵馐沂穷愃朴跓峁艿拿荛]容器，利用相變來增強(qiáng)散熱效果，這引起了人們對電子行業(yè)的興趣。一些研究人士將蒸汽室集成在DBC 與散熱器之間，用于替代金屬基板增強(qiáng)散熱。Zhang 等對集成的電力電子模塊進(jìn)行了研究，將蒸汽室（vapour chamber ，VC）取代金屬基板集成于DBC 與散熱器之間，消除了模塊與散熱器連接的接觸熱阻，模型如圖6所示。與傳統(tǒng)金屬散熱片相比，VC 將集中的熱源大大擴(kuò)散到更大的冷凝區(qū)域，重量輕、幾何柔性好和較大的冷卻面積，將大大增強(qiáng)了IGBT 模塊的散熱效果。Chen 等開發(fā)了一種新型的散熱管理系統(tǒng)用于 IGBT 電源模塊冷卻。將模塊與基于蒸氣室的散熱器集成在一起，以降低熱阻并顯著提高溫度均勻性。模型如圖7所示，與傳統(tǒng)散熱器相比較，芯片結(jié)溫、芯片內(nèi)溫差、最大熱應(yīng)力都有所降低，提高了 IGBT 模塊的工作性能。

圖 6 基于 VC的模塊結(jié)構(gòu)

圖 7 模塊示意圖

圓柱形熱管結(jié)合翅片一般適用于散熱空間富裕的電子設(shè)備。扁平熱管／蒸汽室的主要優(yōu)點(diǎn)是溫度均勻性高，廣泛用于局部散熱中，在一些小型電力電子設(shè)備中，往往由于有限的熱源和散熱區(qū)，很難有效利用傳統(tǒng)的圓柱形熱管增強(qiáng)散熱 。

3.1.3 基于 PCM 的散熱器

作為強(qiáng)制空氣／液體對流冷卻之類的熱管理方法的一種替代選擇，PCM 冷卻是一種簡單實(shí)用的被動熱管理解決方案，近來引起了研究界的廣泛關(guān)注。PCM 的優(yōu)點(diǎn)是：較高的熔化潛熱可提供高能量密度，可控制的溫度穩(wěn)定性以及相變時(shí)體積變化小。然而，PCM 的導(dǎo)熱率相對較低，在散熱器中嵌入金屬散熱片，插入多孔金屬結(jié)構(gòu)，嵌入熱管以及將高電導(dǎo)率的金屬泡沫和納米顆粒與 PCM 混合在一起以增強(qiáng)散熱器的性能，這些被稱為導(dǎo)熱率增強(qiáng)劑。

Desai 等提出翅片用于改善 PCM 模塊的導(dǎo)熱性，進(jìn)行數(shù)值研究以找到最有效的散熱片配置，該配置將限制熱控制模塊（thermal control module，TCM）的臨界溫度（Ter），如圖8所示。實(shí)驗(yàn)中要考慮的重要翅片參數(shù)是鰭片的尺寸，數(shù)量，形狀和質(zhì)量百分比。結(jié)果表明，蓋板溫度隨著每1／4幾何形狀的翅片數(shù)量從9增加到100而降低，同時(shí)翅片數(shù)量的增加增強(qiáng)了局部熱擴(kuò)散到 PCM 中，并導(dǎo)致臨界溫度值降低。

圖 8 不同翅片數(shù)量和不同翅片質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 TCM

實(shí)驗(yàn)研究表明，在基于 PCM 的散熱器中嵌入不同的金屬結(jié)構(gòu)有利于增強(qiáng)散熱器的熱性能。Xie等提出了一種創(chuàng)新樹形金屬結(jié)構(gòu)，嵌入基于PCM 的散熱器中，以更好地將熱量從集中的熱源擴(kuò)散到 PCM 外殼中，模型如圖9所示。數(shù)值模擬研究了自然對流條件下嵌入不同類型金屬結(jié)構(gòu)的基于PCM 的散熱器的熱性能，具體包括常規(guī)的板翅結(jié)構(gòu)和通過拓?fù)鋬?yōu)化獲得的創(chuàng)新樹形結(jié)構(gòu)。其次，Xie等針對同一創(chuàng)新樹形金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步地研究 ，實(shí)驗(yàn)以金屬體積分?jǐn)?shù)為20％ 和30％ 的2個(gè)板翅式散熱器結(jié)構(gòu) PCM 外殼為基準(zhǔn)，生成金屬體積分?jǐn)?shù)相似的18.7％ 和27.6％ 的優(yōu)化樹形結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。建立基于流體體積（volume of fluid fluid volume，VOF）和焓‐孔隙率方法的研究方法，以研究 PCM 外殼的動態(tài)熱行為。

圖 9 創(chuàng)新樹形金屬結(jié)構(gòu)圖

基于 PCM 的散熱器主要是利用相變原理進(jìn)行散熱，在熱管理領(lǐng)域，PCM 可用于間歇性工作的電子組件的被動冷卻或熱緩沖。當(dāng) PCM 熔化時(shí)，它將吸收大量的熱量，保護(hù)電子組件免于過熱。組件停止工作后，PCM 模塊吸收的熱量釋放到環(huán)境中，PCM 固化以準(zhǔn)備下一次熱沖擊。

3.2 主動散熱

散熱器的散熱方式分為主動散熱和被動散熱。通過翅片與空氣之間的熱對流和熱輻射進(jìn)行散熱的過程是被動散熱，被動散熱沒有借助外力，主動散熱的方法則在此基礎(chǔ)上增加外力，如風(fēng)扇、液冷等方式來增強(qiáng)散熱，可有效提高散熱器的散熱效率1~2個(gè)能量級，動散熱一般分為2種形式：風(fēng)冷和液冷散熱技術(shù)。

3.2.1 風(fēng)冷散熱技術(shù)

隨著 IGBT 功率器件的高集成化、大功率化，散熱問題越來越突出，對 IGBT 功率半導(dǎo)體模塊的冷卻要求也越來越高，很難為具有空氣冷卻的大功率和熱通量 IGBT 模塊提供足夠的冷卻，自然對流冷卻技術(shù)已經(jīng)不能滿足 IGBT 功率器件的散熱需求，因而需要采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱技術(shù)，加快 IGBT 模塊冷卻，降低模塊溫度。強(qiáng)化風(fēng)冷散熱的措施主要為增大散熱面積、提高換熱系數(shù)和合理設(shè)計(jì)風(fēng)道。

郭憲民等分析與研究了氣體式冷板，建立了冷板表面熱源的非均勻分布下的數(shù)學(xué)模型，如圖10所示，熱量傳遞路徑為：底板→冷板通道 →氣體流體。趙連全等通過實(shí)驗(yàn)分析研究了高溫鋼板在空氣射流冷卻中的瞬態(tài)傳熱特性，見圖11，結(jié)果顯示換熱系數(shù)受過程中被沖擊表面的溫度變化的影響，提高氣體流量可以提高換熱能力。邱海平等研究探索了泡沫鋁翅片在 IGBT 功率半導(dǎo)體模塊中的散熱性能，結(jié)果顯示：不同于普通的翅片散熱器，因?yàn)楸绕浔砻娣e和內(nèi)部不規(guī)則通道的存在，泡沫鋁翅片散熱器可以強(qiáng)化 IGBT 功率器件傳熱 ，降低功率器件的溫度 ，提高電力電子器件的工作性能和可靠性。

與自然冷卻相比，強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱量可提高5~12倍。但強(qiáng)制風(fēng)冷存在需要配置風(fēng)機(jī)與風(fēng)路的問題，其可靠性及冷卻效率仍然較低，且會產(chǎn)生較大噪音。

圖 10 冷板內(nèi)氣體流動

圖 11 空氣射流示意圖

3.2.2 液冷散熱技術(shù)

當(dāng) IGBT 處于高頻作業(yè)狀態(tài)時(shí) ，熱損耗導(dǎo)致模塊溫升持續(xù)增加，會嚴(yán)重影響 IGBT 功率半導(dǎo)體器件的工作性能，同時(shí)元件的可靠性降低，大大減小元件壽命，超過一半的 IGBT 器件損壞是由熱故障引起的，因此熱管理很重要。尤其當(dāng)設(shè)備的功率很大時(shí)（兆伏安級），風(fēng)道設(shè)計(jì)、風(fēng)壓提供與噪聲指標(biāo)等條件，實(shí)施起來會十分困難，傳統(tǒng)的強(qiáng)制風(fēng)冷散熱技術(shù)已不能夠很好地滿足設(shè)備散熱要求，水冷散熱能力更強(qiáng)，更適合應(yīng)用于大功率 IGBT 功率半導(dǎo)體器件的散熱系統(tǒng)中，目前水冷散熱技術(shù)也逐漸被廣泛應(yīng)用。

目前，水冷散熱技術(shù)已經(jīng)非常成熟。張程等研究了 IGBT 大功率模塊水冷散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過進(jìn)行仿真和工程實(shí)驗(yàn)，解決了 IGBT 冷卻系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)難題，最終提出一種基于相似理論的水冷散熱系統(tǒng)的熱路等效熱阻求解公式，研究得到一、二次冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。姜坤等對直接水冷 IGBT 功率模塊翅針散熱器進(jìn)行了研究，通過有限元仿真分析，總結(jié)了各主要參數(shù)對散熱性能的影響規(guī)律，證明了翅針散熱器散熱效果最好時(shí)的翅針直徑、翅針間距、翅針長度和流量。

圖 12 液體射流冷卻

直接冷卻技術(shù)還包括噴射冷卻散熱。Navodo探索了噴射冷卻方法，如圖12所示，利用射流沖擊發(fā)熱模塊表面，結(jié)果顯示滴徑增加可以使換熱系數(shù)增強(qiáng)。

Oliphant 等實(shí)驗(yàn)對比研究了噴霧冷卻和射流冷卻的傳熱性能，如圖13所示，噴霧冷卻利用強(qiáng)大壓力使液體霧化噴射到發(fā)熱塊表面，達(dá)到降溫的效果，結(jié)果表明噴霧冷卻傳熱的效果更好。

圖 13 液體噴霧冷卻

功率模塊直接與冷卻液接觸，無接觸熱阻，且具有較好的均溫性。研究表明直接液冷的散熱能力可達(dá)800W／cm2。

通常，按照是否帶有銅基板又可將其分為間接液冷和直接液冷。通過研究，不帶有銅基板的散熱結(jié)構(gòu)能夠有效降低散熱模塊整體熱阻達(dá)20％～40％，主要是因?yàn)槿コ~基板的同時(shí)能夠去除導(dǎo)熱硅脂涂層，導(dǎo)熱硅脂涂層雖然厚度很薄，但是其導(dǎo)熱系數(shù)極小，對散熱極為不利，會產(chǎn)生極大的導(dǎo)熱熱阻。因此，現(xiàn)用的液冷散熱結(jié)構(gòu)大都使用不帶有銅基板的直接液冷散熱方案。

4 結(jié)語

IGBT 功率半導(dǎo)體模塊作為當(dāng)前電力電子器件的核心部件，而熱量的累積會嚴(yán)重影響器件的安全性、可靠性及工作性能 ，散熱問題越來越突出，對模塊冷卻的要求也越來越高。為適應(yīng) IGBT 功率半導(dǎo)體元件向高功率、高集成方向發(fā)展，在分析 IGBT 散熱的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高 IGBT 的冷卻效果，當(dāng)前已有的翅片散熱、風(fēng)冷和液冷散熱、傳統(tǒng)熱管散熱和基于 PCM 的散熱器等技術(shù)已比較成熟，但綜合其傳熱性能、運(yùn)行可靠性以及系統(tǒng)成本等種種因素，相變冷卻、強(qiáng)制液冷和微冷卻技術(shù)成為當(dāng)今散熱研究熱點(diǎn)。本文重點(diǎn)介紹了翅片、風(fēng)冷和液冷以及熱管、相變散熱技術(shù)的相關(guān)新發(fā)現(xiàn)。綜合考慮系統(tǒng)各項(xiàng)因素，更適合 IGBT 功率半導(dǎo)體元件散熱需要的技術(shù)是集傳統(tǒng)熱管原理與結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的熱管技術(shù)，未來一個(gè)重要方向?yàn)閷鳠嵝阅芎蛢?yōu)化結(jié)構(gòu)的研究。