热管式IGBT 散热器的研究.doc

热管式IGBT散热器的研究
绝缘门双极晶体管IGBT(Insulatedgatebipolartransistor)是集功率场效应晶体管(MOSFET)与双极型晶体管优点于一体的新型全控型电力电子器件。广泛应用于电机控制、开关电源等领域。IGBT同时也是一种大功率电子元件，发热量可达数千瓦，而电子元件特有的性质又要求IGBT在正常使用时温度不能超过某一界限[1，2]，这就要求配以散热能力很强的冷却器及时将其热量散去。两相闭式热虹吸管（Two-phaseclosedthermosyphon）以其高导热性、结构简单、体积小、重量轻的优点，成为IGBT很好的散热元件，并且对于封装在壳体内发热元件，热管散热有其特有的优势。首先用热管解决电子元件散热问题是在60年代末、70年代初的美国。其后Fujikura的单管可控硅散热器，MAYR的IGBT散热器相继出现。本章内容是一台叠装翅片（stackfin型）热管散热器，利用强制风冷，使IGBT的表面温度控制在80℃以下，确保其的正常工作。
5.1有限元分析在传热学工程中的应用[3～8]
有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域，如飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。50年代中期至60年代末,有限元法迅猛发展,由于当时理论尚处于初级阶段，计算机的硬件及软件也无法满足需求，有限元法和有限元程序无法在工程界普及。到60年代末70年代初出现了大型通用有限元程序，它们以功能强、用户使用方便、计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品，成为结构工程强有力的分析工具。目前，有限元法在现代结构力学、热力学、流体力学和电磁学等许多领域都发挥着重要作用。当前，在我国工程界比较流行，被广泛使用的大型有限元分析软件有MSC/Nastran、Ansys、Abaqus、Marc、Adina和Algor等。有限元法是建立在固体流动变分原理基础之上的，用有限元进行分析时，首先将被分析物体离散成为许多小单元，其次给定边界条件、载荷和材料特性，再者求解线性或非线性方程组，得到位移、应力、应变、内力等结果，最后在计算机上，使用图形技术显示计算结果。总之，目前的商用有限元程序不但分析功能几乎覆盖了所有的工程领域，其程序使用也非常方便，只要有一定基础的工程师都可以在不长的时间内分析实际工程项目，这就是此软件能被迅速推广的主要原因之一。长期以来，传热学是一门以实验为主的科学，相似理论的成功应用使传热学理论得到了迅速的发展；另一方面，数学物理方法也被成功的应用到传热学理论中来。从质量、动量和能量守恒定律出发，在微元体或控制体上形成微分方程或积分方程，但这些方程在定解条件下求解是比较困难的。解析解法，如分离变量法、积分方程的近似解法、运算微积、特殊函数、正交函数理论与级数解以及摄动法等近似方法在一定领域内取得了成功，并将继续对传热学的理论作出贡献。但由于能够获得解析解的范围太窄，近似求解方法又存在较大的局限性，而基于相似理论所要求的完全模化又不易实现，并且实验测量也会遇到很多困难，有时甚至是不可能的，因此为了实现多变量非线性复杂边界问题求解的目的，就产生的数值求解方法。
有限元在传热学工程应用的发展基于如下三个条件：
（1）建立传热问题的数学物理模型；（2）数值计算中各种有效的离散化方法；（3）计算机工具。
5.2热管式IGBT散热器的开发与模拟计算
开发要求：某IGBT在正常工作状态下的发热量是1000W，单面散热，散热面尺寸130×140mm，如图5.1所示，要求在环境温度27℃的情况下，控制其散热表面的温度不超过80℃。

设计条件：1)采用翅片束热管散热器，即：将发热面与一接触块相连接，热量通过接触块传导到热管的蒸发段；由热虹吸管将热量带到外部空间的翅片束上，通过强制风冷将热量带走。2)单根热虹吸管的传热性能在本文的第3章已经详细的讨论过。根据第3章的结果，拟采用Φ10×0.9×600mm铜水热虹吸管，充液量2.5ml，设计单根传热量为180W。共计6根：180×6＝1080W。3)设计的环境为27℃，风道内的平均风速2m/s，风道的直径260mm，翅片厚度1mm，翅片间距2mm，设翅片高20mm。设计冷凝段的换热系数50W/m2K。
直角坐标系下的热传导方程为：

计算结果如图5.2所示，接触块的最高温升为17.06K，设计符合要求，热管的主要作用表现在下部三分之一处，上面的温差很小，散热作用不明显。散热器上的最高温度点出现在接触块的最下部，由于IGBT表面的温度不易测量，所以一般是控制散热器的接触块的最高温度。

5.3试验研究
为验证所开发研制的热管式IGBT散热器，建立了模拟试验装置进行