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功率芯片热管理强化技术研究

功率芯片热管理强化技术研究

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作者：徐晓宇吉林大学

学位级别：硕士

当前氮化镓功率芯片呈现出大功率、高产热的发展趋势,如不能及时有效地进行散热,将会极大地影响芯片的性能和寿命。如何有效控制芯片温度,提升成组芯片之间的温度均匀性成为功率芯片热管理面临的重要问题。微通道冷却技术大大提升了换... 详细信息

当前氮化镓功率芯片呈现出大功率、高产热的发展趋势,如不能及时有效地进行散热,将会极大地影响芯片的性能和寿命。如何有效控制芯片温度,提升成组芯片之间的温度均匀性成为功率芯片热管理面临的重要问题。微通道冷却技术大大提升了换热效率,同时提高了系统的紧凑性,在高热流密度功率芯片热管理上有着巨大的应用前景。然而,微通道过小的直径会导致流体流动阻力升高和系统能耗增加,同时流体沿途温升也会引起壁面温度不均匀。对此,本文仿生植物叶脉分形结构,面向成组氮化镓功率芯片开展微通道冷却结构的设计和优化研究。首先,针对高热流密度成组功率芯片的冷却需求,受植物叶脉结构启发,设计了三种具有渐缩主干和分形特征的仿生叶脉微通道冷却结构,开展了单相液体对流换热强化研究。对比传统的平直冷却结构,研究了入口雷诺数、芯片发热量对仿生优化前后微通道结构流动性能、传热性能、综合冷却性能指标以及熵产率的影响。研究结果表明,同时具备渐缩主干和45°分形角的仿生Ⅲ结构在微通道流量分配、芯片温度一致性、流体流动压降、换热热阻以及综合冷却性能指标、熵产率等方面,均能达到优异水平。与平直结构相比,压降减小了24.7%、芯片温度均匀性提升了65.0%、对流换热热阻降低了32.8%、流动熵产率降低了22.08%、总熵产率降低了2.95%。优化后的仿生叶脉微通道冷却结构在降低压降、强化换热的同时提升了对能量的利用率,降低了对流换热的不可逆损失。其次,为进一步提升换热能力,在仿生Ⅲ结构的基础之上开展了两相沸腾换热的仿真研究,并与平直结构进行对比,重点研究了不同入口质量流量以及热流密度工况下,微通道内气相分布、流动压降、冷板表面温均性以及平均沸腾换热系数等分析评价指标,揭示了微通道冷却结构内气液两相流流型与流动压降及沸腾换热能力之间的关联影响。研究结果表明,在平直结构内,沸腾相变生成的蒸气会在微通道逐渐合并为受限气泡,而在仿生Ⅲ结构内未观察到受限气泡的存在,因此与平直结构相比,流体压降降低了41.59%、冷板表面温均性提升了79.20%、平均沸腾换热系提升了15.15%。最后,对仿生Ⅲ结构进行优化,以进一步提升其流动沸腾性能。在微通道内加工了多个连通腔,称之为仿生Ⅲ-间断型结构,在流动沸腾性能方面与优化前的仿生Ⅲ-连续型结构进行对比。研究结果表明,微通道壁面滞留的蒸气层在连通腔内合并为了圆形的蒸气团后脱离了壁面,使得仿生Ⅲ-间断型结构的平均沸腾换热系数相比仿生Ⅲ-连续型结构提升了13.69%,在中等热流密度下流体压降降低了7.71%。此外,分别探究了流体入口过冷度以及R601和HFE7100两种不同冷却工质对仿生Ⅲ-间断型结构流动沸腾性能的影响。研究结果表明,随着过冷度的降低,冷板的温均性会得到改善,流体压降在高热流密度下先增大后减小,平均沸腾换热系数在高热流密度下先提高后缓慢降低,而在低热流密度下先降低后提高。相较于HFE7100,使用R601作为冷却工质时仿生Ⅲ-间断型结构的流体流动压降减小了22.2%,同时平均沸腾换热系数提高了57.43%。

关键词：氮化镓功率芯片热管理微通道冷却仿生优化

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