多热源蒸汽腔组件的传热性能研究
发布时间：2021-05-28 15:20
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模块的热损耗将从100 W/cm2增加到500W/cm2,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...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
IGBT模块的两种冷却方式[18]
1绪论3损耗减小10%[20]，可以实现在空间有限的发动机室内精简功率模块体积同时提高其散热性能目的。根据冷却方式来分，目前常见的IGBT模块的冷却方式有强制空冷、流道液体冷却、射流冲击冷却和热管冷却等，以下是其各自的优缺点：强制空冷如图1.2a所示，其优点是成本低，结构简单且易于维修。但这种方式的散热能力较低，散热热流密度只能达到50W/cm2[14]左右，且安装体积大，空间利用率较低，还会有噪音等。（a）强制空冷（b）流道液体冷却图1.2IGBT模块的强制空冷和流道液体冷却[21]Figure1.2Forcedaircoolingsystemandwater-basedcoolingsystem流道液体冷却如图1.2b所示，此种冷却方式的长处在于成本低且体积相较强制空冷有所减小，但其散热能力仍然较低，约为120W/cm2[14]，且容易出现冷却后芯片温度不均匀的现象，这将会导致模块局部的芯片结温过高而烧毁的情况。射流冲击冷却方式的原理如图1.3所示，和传统的风冷及水冷相比这种冷却方式具有散热能力极高的优势，其冷却侧对流换热系数能达到31370W/(m2·K)[22]，能够大幅降低模块的温度，但是其结构复杂，成本较高，且容易出现冷却液泄漏和通道堵塞等问题。
重庆大学硕士学位论文4图1.3射流冲击冷却示意图Figure1.3Physicalofmicro-jetarrayimpingementcoolingsystem[23]传统的圆柱形热管冷却具有没有运动部件，无噪音，且可改变热量的传递方向的优点，如图1.4a所示。但这种冷却方式体积利用率不高，且电子元件的表面多为平面，圆柱形热管难以与电子元件散热平面紧密接触。（a）传统热管冷却（b）蒸汽腔冷却图1.4热管冷却[24]Figure1.4Traditionalheatpipecoolingandvaporchambercooling基于以上各个冷却方法的优缺点，提出了一种将蒸汽腔与IGBT模块整合的冷却方法，如图1.4（b）所示。蒸汽腔由金属顶板和底板分别作为蒸发面和冷凝面，内部是由铜粉和铜丝网烧结而成的毛细芯结构，同时铸有支撑柱以防止蒸汽腔发生变形，如图1.5所示。蒸汽腔内部有循环工质，因为液体工质有着极大的汽化潜热，蒸汽腔的等效导热系数很大，可以达到1000-50000W/(m·K)[25]，而同等尺寸的金属实体的导热系数远远小于这个数值。
【参考文献】：
期刊论文
[1]电动汽车发展综述[J]. 胡堋湫,谭泽富,邱刚,王欣煜,邓明. 电气应用. 2018(20)
[2]多芯片陶瓷封装的结-壳热阻分析方法[J]. 高辉,仝良玉,蒋长顺. 电子与封装. 2016(07)
[3]IGBT功率放大电路保护方法的应用[J]. 边钢,王衡,胡金喜,李嵬. 电子产品世界. 2013(07)
[4]多热源热管散热模组的实验研究[J]. 胡记超,崔晓钰,翁建华,王妍,纪志国. 工程热物理学报. 2010(09)
[5]风力发电用IGBT模块的小尺寸、低热阻及高可靠性封装技术[J]. K.Sasaki,M.Hiyoshi,K.Horiuchi,王培请,郑君. 电力电子. 2010(04)
[6]国内电动汽车发展路径探讨[J]. 陈建军. 科技风. 2010(15)
[7]利用热阻网络拓朴关系对多芯片组件热分析技术的研究[J]. 曹玉生,刘军,施法中. 宇航学报. 2006(03)
[8]多芯片组件热阻技术研究[J]. 邱宝军,何小琦. 电子元件与材料. 2005(11)
博士论文
[1]电力电子集成模块及新型翅柱复合型散热器的传热性能研究[D]. 余小玲.西安交通大学 2005
硕士论文
[1]多芯片组件的扩展热阻与热耦合效应研究[D]. 芮喜.西安电子科技大学 2015
[2]多支撑柱型均热板结构数值分析与设计[D]. 廖火生.华南理工大学 2014
本文编号：3208283
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
IGBT模块的两种冷却方式[18]
1绪论3损耗减小10%[20]，可以实现在空间有限的发动机室内精简功率模块体积同时提高其散热性能目的。根据冷却方式来分，目前常见的IGBT模块的冷却方式有强制空冷、流道液体冷却、射流冲击冷却和热管冷却等，以下是其各自的优缺点：强制空冷如图1.2a所示，其优点是成本低，结构简单且易于维修。但这种方式的散热能力较低，散热热流密度只能达到50W/cm2[14]左右，且安装体积大，空间利用率较低，还会有噪音等。（a）强制空冷（b）流道液体冷却图1.2IGBT模块的强制空冷和流道液体冷却[21]Figure1.2Forcedaircoolingsystemandwater-basedcoolingsystem流道液体冷却如图1.2b所示，此种冷却方式的长处在于成本低且体积相较强制空冷有所减小，但其散热能力仍然较低，约为120W/cm2[14]，且容易出现冷却后芯片温度不均匀的现象，这将会导致模块局部的芯片结温过高而烧毁的情况。射流冲击冷却方式的原理如图1.3所示，和传统的风冷及水冷相比这种冷却方式具有散热能力极高的优势，其冷却侧对流换热系数能达到31370W/(m2·K)[22]，能够大幅降低模块的温度，但是其结构复杂，成本较高，且容易出现冷却液泄漏和通道堵塞等问题。
重庆大学硕士学位论文4图1.3射流冲击冷却示意图Figure1.3Physicalofmicro-jetarrayimpingementcoolingsystem[23]传统的圆柱形热管冷却具有没有运动部件，无噪音，且可改变热量的传递方向的优点，如图1.4a所示。但这种冷却方式体积利用率不高，且电子元件的表面多为平面，圆柱形热管难以与电子元件散热平面紧密接触。（a）传统热管冷却（b）蒸汽腔冷却图1.4热管冷却[24]Figure1.4Traditionalheatpipecoolingandvaporchambercooling基于以上各个冷却方法的优缺点，提出了一种将蒸汽腔与IGBT模块整合的冷却方法，如图1.4（b）所示。蒸汽腔由金属顶板和底板分别作为蒸发面和冷凝面，内部是由铜粉和铜丝网烧结而成的毛细芯结构，同时铸有支撑柱以防止蒸汽腔发生变形，如图1.5所示。蒸汽腔内部有循环工质，因为液体工质有着极大的汽化潜热，蒸汽腔的等效导热系数很大，可以达到1000-50000W/(m·K)[25]，而同等尺寸的金属实体的导热系数远远小于这个数值。
【参考文献】：
期刊论文
[1]电动汽车发展综述[J]. 胡堋湫,谭泽富,邱刚,王欣煜,邓明. 电气应用. 2018(20)
[2]多芯片陶瓷封装的结-壳热阻分析方法[J]. 高辉,仝良玉,蒋长顺. 电子与封装. 2016(07)
[3]IGBT功率放大电路保护方法的应用[J]. 边钢,王衡,胡金喜,李嵬. 电子产品世界. 2013(07)
[4]多热源热管散热模组的实验研究[J]. 胡记超,崔晓钰,翁建华,王妍,纪志国. 工程热物理学报. 2010(09)
[5]风力发电用IGBT模块的小尺寸、低热阻及高可靠性封装技术[J]. K.Sasaki,M.Hiyoshi,K.Horiuchi,王培请,郑君. 电力电子. 2010(04)
[6]国内电动汽车发展路径探讨[J]. 陈建军. 科技风. 2010(15)
[7]利用热阻网络拓朴关系对多芯片组件热分析技术的研究[J]. 曹玉生,刘军,施法中. 宇航学报. 2006(03)
[8]多芯片组件热阻技术研究[J]. 邱宝军,何小琦. 电子元件与材料. 2005(11)
博士论文
[1]电力电子集成模块及新型翅柱复合型散热器的传热性能研究[D]. 余小玲.西安交通大学 2005
硕士论文
[1]多芯片组件的扩展热阻与热耦合效应研究[D]. 芮喜.西安电子科技大学 2015
[2]多支撑柱型均热板结构数值分析与设计[D]. 廖火生.华南理工大学 2014
本文编号：3208283
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