基于流体计算的求解水冷散热器热阻抗的方法.pdf

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1、技术与应用基于流体计算的求解水冷散热器热阻抗的方法1111，2姬凯康乐吴丹陈叔衡（1.中船重工武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064；2.舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉430064）摘要本文介绍了利用计算流体软件（CDF）Fluent计算大功率水冷散热器热阻和热抗的方法。通过对三维非定常流场和热场的求解，计算出不同流量下水冷散热器的热阻值和热抗值，为大功率变频器稳态和动态过程的温度计算提供了依据。关键词：计算流体Fluent；水冷散热器；热阻；热抗ComputingHeatResistanceandH

2、eatImpedanceofWater-cooledHeatsinkUsingCDF11112JiKaiKangLeWuDanChenShuheng(1.WuhanInstituteofMarineElectricPropulsion,CSIC,Wuhan430064；2.NationalKeyLaboratoryVesselIntegratedPowerSystemTechnology,Wuhan430064)AbstractThispaperintroducesanewmethodtocomputetheheat

3、resistanceandheatimpedanceofthewater-cooledheatsinkusingaCDFsoft-Fluent.Bysolvingathreedimension,unstableN-Sequation,theheatresistanceandheatimpedancearecomputedunderdifferentwaterflux,whichprovideadesigncriteriaforstableanddynamictemperatureestimationofthehigh

4、powerinverters.Keywords：CDFFluent；water-cooledheatsink；heatresistance；heatimpedance1引言稳态过程（又称定常过程）和非稳态过程（又称非定常过程）。对稳态过程而言，其热阻定义为随着半导体技术的飞速发展，高压大电流IGBTT藝T0逐渐成为现代电力电子设备的核心器件。通常情况Rt=（1）P下，IGBT工作在非理想的开关状态，因此存在着导其中，T藝T为温升，单位K，P为功耗，单位W。0通和开关损耗。在大容量电力电子设备中，这些损对非稳态过程而言

5、，其热抗定义为耗往往都很大，其结果将导致器件的温升很严重，T(t)藝T(t0)当器件管芯的温度升高到100℃以上时将严重影响Zt(t)=（2）P器件的正常工作，甚至永久性损坏，因此器件的散其中，T(t)藝T(t0)为t时刻的温升。热问题就显得尤为重要。为了提高功率密度，设计者在使用IGBT模块时通常采用水冷的方式，在实当t→∞时，传热过程达到稳态，Zt(t)→Rt。大功率水冷散热器通常采用由内部带水路的铜际中往往都是根据设备的结构、强度以及IGBT模基板组成，其热阻和热抗由铜基板的结构和流过水块安装的要求来设计水冷散

6、热器。由于没有统一的路的水流量决定。由于铜基板与冷却水之间存在着标准，散热器的热阻以及热抗的值往往不得而知，复杂的湍流换热过程，其本质上是一个涉及到流体这就给计算IGBT模块的节温带来了很大困难，流动、流固热交换以及固体热传导等方面问题的流2热阻热抗的计算方法体力学问题，因此要比较准确的计算出散热器的热阻和热抗，可以采用计算流体力学（ComputingFluid根据物体温度与时间的关系，传热过程可分为2010年第2期47技术与应用[1]Dynamics）的方法进行求解。其步骤如下（1）利用Gambit对水冷散热器进行

7、物理建模，定义模型中的固体区域与流体区域，并定义固体与流体热交换的区域。（2）定义散热器的热生成区域。（3）定义流体的边界条件。（4）利用Gambit对计算区域进行网格划分，并保存生成的网格文件。（5）通过Fluent读取保存的网格文件，设置流体与固体的材料属性、边界条件、热通量等计算必图2t=1s散热器温度分布图，Tmax=302K须的参数。（6）选取非定常计算模式，设定时间步长与时间，开始计算，并保存每步的计算结果。（7）根据计算结果计算每个时刻散热器的温度[2-5]T(t)，依（2）式计算散热器的热抗。3热阻热

8、抗的计算实例以常用的IGBT封装模式IHM130×140为例，如果安装在130mm×140mm的水冷散热器上，散热器材料[6]为铜，厚度12mm，内有一条直径8mm的水路。利用Gambit建立计算模型，定义流体边界为速图3t=10s散热器温度分布图，Tmax=310K度进口、流量出口，固体边界条件为热通量边界，并划分网格，网格图如图1所示。图4