大功率IGBT散热器水冷热阻计算

摘要：为了优化水冷散热器散热能力，保障其可靠工作，引用了传热学中的基本原理与公式，以散热器外形的机械尺寸、水的强制对流换热系数和水的导热系数作为参数及变量推导了散热器水冷热阻的计算公式。同时为了满足实际应用，开发了一种专用水冷散热器热阻计算和曲线绘制软件，可以显示热阻随参数变化而变化的各种曲线，也可以直接计算显示热阻值。为散热器的设计中参数的优化选择提供直观方便的参考。

关键词：水冷散热器； 热阻计算； 软件； 大功率IGBT散热器

中图分类号：TN964⁃34 文献标识码：A 文章编号：1004⁃373X（2013）02⁃0165⁃03

和谐型电力机车是采用大功率半导体技术的交直交变流型电力机车。由于其具有先进的交流变频调速、再生发电制动、大功率交流电机控制和自动化程度高等技术特点，使其在铁路主干线运输中的高速大功率机车上广泛应用。每台机车的变流器使用了三种IGBT模块，即：四象限斩波器（4QC）模块、电机侧逆变器模块（Inv）和辅助逆变器模块。对某机务段2009年7月到2011年5月4日为止的305台HXD1B电力机车变流器故障进行调研，结果发现，合计共有4 880个模块在使用，出现故障255件次，出故障的IGBT 模块显示至少有一个IGBT 芯片失效，至今为止还未见除功率半导体器件外的原因造成的模块故障，这种故障随着季节性环境温度的升高而增多。由此推断，IGBT失效与其散热状况密切相关，所以对于电子器件的冷却和散热成为后期研究的重点之一。通过研究器件的冷却和散热问题，对其散热条件进行优化改造，使其能尽量长时间工作在温度适宜的环境下，降低事故发生率，从而对于维护铁路机车安全运行有重要作用。

本文通过对大功率IGBT散热器的散热过程分析，先引用了传热学中的基本原理与公式，将热阻的计算分为散热器内固体传热过程产生的导热热阻以及散热器与冷却液间的传热过程产生的对流换热热阻两部分，以散热器外形的机械尺寸、水的强制对流换热系数和水的导热系数作为参数及变量推导了散热器水冷热阻的计算公式。为了简化分析，编制了用于热阻计算的软件。该软件具有简单清晰的操作界面，可以显示热阻随参数变化而变化的各种曲线，也可以直接计算显示热阻值。为散热器的设计分析提供直观方便的参考。

1 传热学的基本公式和原理

1.1 热传递的原理与基本方式

热传导导热的基本公式[1⁃3]为：

2.2 热阻计算说明

下面用实例说明图5，图6热阻曲线的制图过程。在“1.3实例”中已经计算出串联A模型，B模型的总热阻。首先，我们将水的导热系数λ0.5[W/mk]， L=0.005 m，le=0.55 m，B=0.45 m填入相应空格内。然后选择曲线类型。不同水的强制对流换热系数下，散热器有效散热面积与热阻之间的关系如图5所示。不同有效散热面积下，水的强制对流换热系数与热阻之间的关系如图6所示。在界面左下方还有“计算水冷热阻”，点击进入热阻计算界面，如图所示。按要求填入各个参数值：λ=0.5[W/mK]，L=0.005 m，le=0.55 m，B=0.45 m，h=1 000 [W/m2K]当输入面积为1.411 8是算出热阻值为92.502 801 066 337[cm2K/W]，与上面公式计算模型A结果92.503[ cm2K/W]相吻合。

3 结 语

本文主要介绍了利用传热学基础原理和公式推导的大功率半导体器件用散热器水冷热阻计算公式和为应用方便开发的此公式的热阻计算和热阻曲线绘图计算机软件，经实例计算和曲线的绘制，可用于水冷散热器设计时参考。要注意的是本公式的精确性受到多重因素的影响，存在一定的误差，且本文中所用的散热器热阻公式只适合水冷散热器。

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