周靖　侯铮　周方圆　文韬

摘要：文章介绍了一种在工程中比较实用的大功率半导体组件的系统设计计算方法，利用散热系统热阻等效电路求出散热器热阻，进而设计出符合高电压、大电流的水风冷却、水电隔离的散热冷却系统，最后通过ANSYS对该散热系统进行了散热仿真及试验验证，为处于封闭空间的高电压、大电流变流器提供可借鉴的散热系统解决方案。

关键词：风水冷换热方式；水电隔离；散热系统；大功率半导体组件；散热冷却系统 文献标识码：A

中图分类号：U665 文章编号：1009-2374（2017）11-0035-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.018

随着电力电子技术的快速发展，其应用的范围越来越广泛，电力电子装置（如舰载电源、电力机车等）的功率密度越来越大、变流器的容量和损耗也随之增大，对半导体组件的可靠性要求也越来越高。采取一定的散热措施，半导体的管芯问题在允许的范围内，器件不易损坏，因此散热系统设计的合理性将直接影响大功率电力电子装置工作的稳定性，特别是对于某些高功率密度、应用环境受限等特殊应用场合，充分考虑半导体组件的热损耗，设计有效的散热系统，把热源的热量能顺利及时的排放出去，使电力电子器件的结温控制在允许范围内显得更为重要。本文将以高功率密度、封闭应用环境的半导体组件散热系统设计为例进行说明。

1 散热系统的具体设计

该半导体组件通常在高压舰载电源系统中使用，要求半导体组件产生的热量不影响电源系统的环境温升，当环境初始温度为55℃时，温升要求控制在25～32K。本半导体组件需要安装在长、宽、高分别为520mm、255mm、245mm的机箱中，最大损耗为763W，其热流密度为0.93W/cm2。

目前，电子设备的散热方式主要有：水冷、强迫风冷和自然对流等散热；其中的自然对流散热方式主要适用于热密度<0.05W/cm2的情况，由于强迫对流散热能够使表面传热系数约提升一个数量级，因此当热流密度>1W/cm2的情况下，一般风冷散热方式作用甚微。

因为该半导体组件通常应用于高压舰载电源系统，其自身损耗所产生的热量不会对电源系统的环境温度造成影响，所以按照该半导体组件的热流密度和温升标准，决定对该散热系统采用散热器与强风冷相结合的散热方式，即将半导体组件安装于一个四周封闭的机箱中，在机箱的一端安装抽风机，另一端开适当数量的孔，在组件与抽风机之间安装水风换热器。由于组件与水风换热器间留有一定的空气间隙，从而形成了绝缘距离，不但有效实现了水电分离，而且避免了大电流对冷却介质造成电解。采用水电隔离设置，不但能够确保即使在漏水的情况下也不会发生漏电或者放电现象，而且会对水质的要求显著降低（普通的自来水和海水均能够作为冷却水进行使用），所以其具有维护简便、可靠性高等优点。

该散热系统的热流路径为：半导体上产生的热量传到散热器并由散热器传到空气中，被加热的空气流经水风换热器，并通过轴流风机抽出（轴流风机所抽出的空气实际已通过了水风换热器的冷却），由此可见，半导体组件所产生的热量基本不会影响电源系统周围的环境温度。

强迫风冷分为鼓风、抽风两种冷却形式，鼓风冷却的风压大，风量集中，通常用在单元内热量分布不匀称，风阻较大情况，而抽风冷却多用于热量相对分散的整机机箱条件下，热量是通过风道抽送走的，其最大的特点就是风量大而风压小。因为半导体上面的热量基本上分散在铝型材散热器的各部件上，当抽风冷却时，通过散热器各部件的风量较为适中，从而使散热器能够得到充分冷却，所以选择使用水电隔离的水风冷却方式。

1.1 散热器的设计和计算

半导体所产生的热量一般是按照以下途径传递的：内部散热→组件外壳→散热器上→空气中。以强制风冷为主，传热遵守热路欧母定律：

式中：

ΔT——热路始末温度差，℃

P——损耗，W

Rth——传热过程热阻，℃/W

半导体组件在传热的过程中，其热阻是由以下部分组成的：一是半导体中的PN结与外壳间的传递热阻，简称Rjc；二是半导体外壳与散热器间的接触热阻，简称Rcs；三是散热器向空气中传递形成的热阻，简称Rsa。

其总热阻为：

式中：

Ptot——半导体总损耗

Ta——环境温度

Tj——半导体允许结温

则散热器热阻为：

式中：

Tj——半导体PN结允许温度，取125℃温度

Ta——散热器表面温度，单位℃

Rjc——PN結到半导体外壳接壳热阻，单位为℃/W

Rcs——半导体外壳到散热器接触热阻，单位为℃/W

Rsa——散热器传递到空气中的换热热阻，单位为℃/W

半导体的最高允许结温通常与硅半导体的掺杂浓度和工艺水平等关系密切，普通功率的半导体结温≤200℃，由于半导体芯片的面积大、温度分布不均，因此当器件遇到过载、浪涌和结构问题时，芯片就会出现过热，甚至导致局部穿孔问题的发生，所以考虑上述因素，半导体器件的最高工作结温一般应控制在125℃～135℃。

在进行散热器设计的过程中，需要对半导体的结构、散热功率和加工工艺等因素进行综合分析，主要需要注意以下事项：一是增加肋片的高度实际等于增大了散热器的散热面积，从而提高了散热能力，然而当肋片高度增加到一定程度时，散热量将不会继续增加，相反，若肋片高度继续增加，则散热量不增反减；二是散热器的肋片越薄说明散热性能越好，然而若太薄又会对加工工艺提出更高的难度；三是挑选导热系数较高的型材，能够显著降低散热器的热阻。因铝的导热系数高且重量轻，使其成为最常用的散热材料；四是对散热器表面经过氧化和喷砂处理，能够在很大程度上改善热辐射的性能。特别是当散热器表面温度与环境温度差距达到50℃的情况下，经过氧化的散热器热阻能够有效降低15%左右。此外，因该半导体组件是通过双面进行散热，所以只有散热器和半导体间达到一定程度的压装力，才能够使散热器和半导体接触位置的热阻减小。另外，散热器和半导体接触面的光滑度也会减少接触热阻。通过对以上因素的权衡，该散热器选择了铝材作为原材料，散热器的肋片被设计成高低不同的样式，且为了满足散热器压装强度需要，散热器被设计成了很厚的基板。

1.2 板翅水风换热器设计

半导体组件工作时经散热器加热的热空气采用水风换热器冷却，冷却后的空气不会对电源系统的环境温度产生影响，其优点是：水电的有效隔离不但对冷却水的水质要求显著降低，而且不会因半导体通电而导致电腐蚀现象的发生。此水风换换热器由两块平板中夹着一块波纹形状的导热翅片，流体就从波纹形状的导热翅片中流过，两层这样的基本换热单元焊接在一起，并使两流道相互交错，供冷热流体换热，此水风换热器是由许多层这样的换热单元叠合而成，作为水风换热器，传热系数可达到达350W/（m2·K）。

换热器的传热计算有两种方法：平均温差法（LMDT法）和效能-传热单元数法（ε-NTU法）。本文是利用平均温差法进行计算。平均温差法主要依据的是传热公式Φ=kAΔtm，在设计换热器的过程中，需要按照要求首先确定换热器的形式，然后利用给定的换热量以及冷热流体中的进出口三个温度，根据热平衡定律，计算出冷流体或者热流体的出口温度，同时计算出平均的温度差，接着利用传热公式计算出换热面积，即F=1.01m2，在实际的应用中，采用了平直形状的板翅水冷散热器肋片，其参数为：高度为9.5mm，厚度为0.2mm，间距为2mm，单位宽通截面S2=8.37m2，单位传热面积S1=11.1m2，若量直径为3.016mm时，则肋面积和传热面积的比将会是：Af/A=0.838，换热器的肋片总共设计有18行，每行18片，每片的长度为174mm，深度为60mm，由此可计算出其总换热面积应是A=BLS1=2.859m2，其明显高于理论传热公式计算出的面积1.01m2，散热满足系统要求。

1.3 抽风机的选择

此散热系统中抽风机的通风量由下式计算：

式中：

qf——通风量，单位为m3/s

——空气的密度，单位为kg/m3

Cp——空气的比热，单位为J/kg·℃

Φ——总损耗功率，单位为W

Δt——冷却空气的进出口温差，单位为℃，Δt大部分取10℃左右

取Δt=5℃，计算得抽风机的风量约450m3/s，由于该半导体组件周围的风道材料具有绝热和绝缘的性能，因此在风量的计算过程中可忽略半导体组件对大气的辐射和对流的影响。

2 散热系统的仿真分析

该例借助相关技术对散热系统进行了仿真，以下属于仿真的结果：

第一，将环境最高温度设置为55℃，然后向外进行抽风，这时半导体器件的功率为763W，半导体两端增加两个接触热阻0.0025℃/W。这时在半导体中心位置出现的最高温度为84.75℃，因为在仿真环境下会忽略水冷换热器对散热系统产生的影响作用，特别是利用Icepak分析软件时，两种流态数据信息的计算量非常大。而本文只是对水冷换热器进行了计算分析，并确定了水冷换热器的换热面积和风阻大小，以此作为风机选型的主要依据。

第二，环温：55℃，风机向内吹风，半导体功率：763W，在半导体两端加两个接触热阻0.0025℃/W，最高温度出现在半导体中心，最高温度85.72℃。

通过仿真从半导体组件的表面温度分布和速度矢量分布图能够发现，利用风机抽风式进行散热，具有更加理想的效果，并使最高温度出现了明显的下降。由于抽风机在抽风的过程中，每一个部分的风量都较均匀，从而使散热器能够得到充分的冷却，所以最后选择了散热器与抽风冷却相结合的散热方式。

另外，还对不同风速条件下的半导体组件的散热情况进行了仿真。其中将环境温度设为20℃，风速分别设为4m/s、5m/s、7m/s、9m/s、11m/s，通过仿真半导体组件的最高温分别为46.88℃、44.76℃、42.00℃、40.255℃、39.03℃，则最高温度与风速的曲线如图1

所示。

由图1能够发现，随着经过散热器半导体组件的空气流速增大，半导体组件的最高温度持续降低，然而当空气流速达到9m/s，半导体组件的温度基本处于稳定，当继续增加空气流速时，半导体组件的温度并未出现明显的变化，但却增加了系统的背压以及噪音。

3 对半导体组件的温升进行测试

在温升试验的过程中，给半导体组件通625A的电流，风机向外抽风，测得风机前面出风口风速为15m/s，型材散热器的进风口风速为后中4.7m/s、上下5.7m/s。

由圖2可知，半导体组件的温度达到稳定状态的温升约为20K。

4 结语

本文借助计算和仿真获得了如下结论：理论计算与仿真获得的半导体组件温度基本相同。然而经过试验获得的温升却偏低，这是因为试验所测量的温度属于管壳的表层温度，而半导体组件的最高温度却是半导体PN的结温。通过分析半导体组件的冷却方式，并对大功率半导体组件的散热计算、仿真和试验验证，为设置在封闭环境下的高电压和大电流变频器的散热问题提供了积极的解决方案。

参考文献

[1] 陈希章，刘中良，马重芳，等.电子芯片散热器特性的测试研究[J].工程热物理学报，2004，（6）.

[2] 赵瑞松.电力半导体器件风冷散热系统实验装置设计[D].重庆大学，2015.

[3] 余建祖，高红霞，谢永奇.电子设备热设计及分析技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[4] 郑宏.大功率电力电子变流器散热技术的研究[D].江苏大学，2013.

作者简介：周靖（1970-），女，湖北秭归人，株洲变流技术国家工程研究中心有限公司工程师，研究方向：大功率电力电子装备的散热和结构设计。

（责任编辑：黄银芳）