多热源蒸汽腔组件的传热性能研究

作     者：王梦妍 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔文智

授予年度：2019年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 080204[工学-车辆工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 

主      题：蒸汽腔 多热源 热阻 均温性 IGBT 

摘      要：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/cm增加到500W/cm,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的趋势,并在总加热功率分别为20W和60W时有最低值;三热源组件和四热源组件的三个热阻随着加热功率的增加先降低然后趋于平稳,在本实验的最大加热功率下仍未出现传热极限;扩展热阻在总热阻的组成中占大部分,在相同的总加热功率下,芯片数量越多,组件的扩展热阻越小。单热源、双热源以及三热源组件中的扩展热阻大于一维热阻,且所占比重随芯片数量的增加而降低,在四热源组件中,扩展热阻小于一维热阻。在非等功率芯片实验中,模拟IGBT芯片和FWD芯片的功率分别为83.3W和10.7W。通过改变蒸汽腔表面FWD芯片之间的横向间距s1、FWD芯片与IGBT芯片之间的横向间距s2以及纵向间距s3进行了一个三因素四水平的正交试验,通过极差分析得到了三个尺寸对多热源组件传热性能的影响规律。实验结果表明多热源组件的总热阻随着s1、s2和s3的增加而减小,其中s3对蒸汽腔多热源组件的传热性能影响最大,其次是s2,最后是s1。与相同结构尺寸的铜基板组件比较,蒸汽腔组件中各芯片的自热阻和耦合热阻均更小。除此之外,蒸汽腔组件还具有更快的响应速度和更好的均温性能。因此,在IGBT模块中用蒸汽腔来替代纯铜基板能够提高模块的传热性能。