论文题目: 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
论文类型: 博士论文
论文专业: 动力工程及工程热物理
作者: 余小玲
导师: 冯全科
关键词: 电力电子集成模块,电力电子设备冷却,散热器,传热,热阻
文献来源: 西安交通大学
发表年度: 2005
论文摘要: 电力电子集成技术将电力电子装置内的大量非标准化的分立器件按照一定的功能组合在一起,形成具有一定通用性的电力电子集成模块。电力电子集成模块的应用使电力电子装置设计和维护难度显著降低,极大地推广了电力电子装置的应用范围。然而,随着集成模块在航空航天以及军事领域的运用越来越广,集成模块的功能要求越来越完善而体积越来越小,在集成模块内产生的高热流密度对模块的可靠性造成巨大威胁,使模块的集成度受到极大限制,甚至认为传热问题成为了模块的集成度向更高方向发展的瓶颈。迄今为止,电力电子集成模块在国外的发展时间只有4～5年,而在国内,电力电子集成模块的研究仅处于起步阶段,还没有对电力电子集成模块进行专门的传热研究,在许多热设计上只能依靠电气工程师自身的经验或模仿国外的热设计结果,这显然不能满足模块发展的要求。因此,针对电力电子集成模块的特殊结构和工作特性,应用传热学的基本理论,对集成模块进行专门的传热研究,对提高模块的集成度,保证模块的工作性能和可靠性,促进电力电子集成模块在国内的自主研发都具有重要意义。本文以具有国际先进水平的混合封装电力电子集成模块为研究对象。该模块的创新之处在于将控制、驱动保护与功率电路封装在一起,具有功率密度大,可靠性高的优点,其传热问题被国内外电力电子专家公认为是急待解决的重要问题之一。重点探索和研究了集成模块内部以及外部风冷散热器的传热规律。建立了集成模块的关键构成部分,也是主要生热部分——功率电路——的稳态和瞬态热模型。根据该热模型分析了评价集成模块热性能的主要参数——模块的结壳热阻——的构成情况和影响因素;并根据研究结果对DBC尺寸、铜基板尺寸等几项关键参数进行优化设计。研究了集成模块内部功率电路对驱动保护电路的热影响,提出在功率电路和驱动保护电路之间夹入一层空气隙以削弱该影响的措施,该项工作提出了模块热分析工作的另一项重要内容。根据增强流动换热的机理以及目前普遍使用的板翅式散热器存在的缺点,提出新型翅柱复合型散热器结构,采用PIV技术对该种带有多钉柱绕流的矩形通道内的流场进行了测试,得到了钉柱位置不同时该种板柱结合的通道内的流动规律,根据流速分布规律并结合湍流数值计算结果,对翅柱式散热器通道内钉柱的位置进行了优化。
论文目录:
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 电力电子集成技术及电力电子集成模块的产生及发展
1.1.1 电力电子集成技术的概念及方法
1.1.2 电力电子集成模块的发展过程与面临的问题
1.2 电力电子集成模块热分析的研究意义及现状
1.2.1 电力电子集成模块内存在的热问题
1.2.2 电力电子集成模块传热研究的现状
1.3 本文的研究内容、意义和方法
1.3.1 本文的研究内容
1.3.2 研究意义
1.3.3 研究方法和路线
2 混合封装电力电子集成模块中功率电路的稳态及瞬态传热模型
2.1 混合封装全桥式电力电子集成模块简介
2.2 功率电路的三维温度场有限元模型
2.2.1 热传导的微分方程及边界条件
2.2.2 热传导微分方程的变分
2.2.3 元素类型及相应的形状函数
2.2.4 单元刚度矩阵和总刚度矩阵的合成
2.3 功率电路的几何模型及边界条件的确定
2.3.1 几何模型
2.3.2 边界条件
2.4 功率电路的传热实验
2.4.1 IGBT 结温－通态压降的标定
2.4.2 热电偶两端的电势差－温差的标定
2.4.3 验证实验装置
2.5 模拟结果和实验结果
2.5.1 稳态模拟结果和实验结果
2.5.2 功率电路的瞬态热模型
2.6 本章小结
3 电力电子集成模块内部传热研究及结构优化
3.1 集成模块的结壳热阻
3.2 影响结壳热阻的各个因素讨论
3.2.1 DBC 尺寸对结壳热阻的影响
3.2.2 铜基板的厚度对结壳热阻的影响
3.2.3 基板底面散热条件对结壳热阻的影响
3.3 芯片之间的相互热影响
3.3.1 芯片之间相互热影响的定义
3.3.2 影响芯片之间相互热影响的因素分析
3.4 混合封装IPEM 内功率电路对驱动保护电路的热影响
3.4.1 实验装置
3.4.2 功率电路对驱动保护电路的热影响分析
3.4.3 削弱功率电路对驱动保护电路热影响的措施
3.5 本章小结
4 功率电路的热应力及热变形
4.1 热弹性应力、热弹性变形的有限元分析
4.1.1 热弹性应力和应变的关系
4.1.2 有限元离散化
4.1.3 弹性力学基本方程
4.1.4 单元刚度矩阵
4.1.5 单元载荷矩阵
4.2 功率电路的热应力及热变形计算
4.3 本章小结
5 高效翅柱复合型散热器的提出与传热性能研究
5.1 风冷散热器的研究现状
5.2 板翅式散热器和翅柱式散热器流道内的流动换热计算
5.2.1 板翅式散热器的提出
5.2.2 流动换热控制方程和标准k-ε模型
5.2.3 计算区域与控制方程的离散
5.2.4 边界条件
5.2.5 SIMPLE 算法及求解步骤
5.3 数值计算结果的实验验证
5.4 结果分析
5.4.1 散热器通道内的流速比较
5.4.2 散热器表面的对流换热系数比较
5.4.3 散热器热阻和流动阻力的比较
5.4.4 两种散热器综合性能比较
5.4.5 翅柱式散热器与优化板翅式散热器的性能比较
5.4.6 翅柱式散热器的应用
5.5 本章小结
6 翅柱复合型散热器通道内的流动测量与钉柱位置优化
6.1 PIV 技术原理及关键环节
6.1.1 PIV 技术基本原理
6.1.2 PIV 系统的组成及工作过程
6.1.3 PIV 技术中的图像处理方法
6.1.4 PIV 技术应用的关键技术环节
6.2 翅柱式散热器的实验模型和测试系统
6.3 测试结果及分析
6.3.1 板翅式散热器流动通道内的测试结果
6.3.2 翅柱式散热器模型件的测试结果
6.3.3 误差分析
6.4 翅柱式散热器的结构优化
6.5 本章小结
7 结论
7.1 结论
7.2 论文的创新之处
7.3 未来工作展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及取得的成果
发布时间: 2008-10-09
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