Flomerics软件优化散热设计

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使用Flotherm仿真优化证实气体可以冷却2kW IGBT模块

Ralph Remsburg 发表于2008年4月1日

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图1:这是一种IGBT模块,安装在平行板式铝制散热器上.

随着集成电路不断被认为能提供更多核心和更快时钟速度,它们也被要求具备更强散热能力.添加微处理器,以成倍的指定时钟速度运行,从而获得性能优势,生产出为大部分市场所研发的产品.而且,由于系统有不同散热需求,散热管理挑战日益增多.因此,产生的疑问是:这些系统中性能最强大的系统能否利用气体散热.作为主要选择,液体冷却能处理温度较高的热载荷,但价格相当昂贵,比起气冷面临更高维护挑战.

位于加州San Diego的 Amulaire 热技术公司,提供定制设计和散热产品服务,最近其工程师对备用100千瓦IGBT模块的冷却方式进行评估,散热量达两千瓦.

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图2:此图显示的是从芯片结到散热器表面的热阻堆栈

冷却两千瓦集成电路

Amulaire开始量化该挑战,并侧重于散热量达2千瓦的100千瓦IGBT功率模块,因为这样的模块是转换器和逆变器电路常用的配置.IGBT主要用作电源和电机驱动应用中循环电路和逆变器电路中静态和动态间的转换.IGBT三维多层封装的出现能有助于实现更高的可靠性,降低电噪声和成本.不过,这种方法将电子模块更紧密地结合在一起,增加了热通量和热密度.

在以上提到的任一应用中,一旦功耗部件生成,其使得半导体温度升高,开关总功耗增加.这些装置的最高结温通常是150℃,然而较低的温度能提高产品可靠性.传统上的选择一直是气冷式散热器,但由于一些军事和商业应用要求达到数兆千瓦,散热器已由铝制改为铜制,并由于气冷式散热器感应能力的限制,液冷散热器又取代了气冷式散热器.

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图3:优化过程中散热器热阻值降低

在Amulaire,我们利用Flomerics 公司的Flotherm计算流体动力(CFD)软件,对不同假设情况下的IGBT进行散热器优化设计.我们选择该软件包的主要原因是它可以自动优化散热器设计或其他任何方面的热管理.以成本函数的形式,在关键参数变化范围内,用户只需定义设计目标.软件自动生成和运行所需模拟量,以探究最佳成本效益下的整个设计空间.分别运行所有的不同组合,然后Flotherm生成响应界面,显示设计目标值.

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图4:优化响应界面,结合设计目标使工程师能够将完整的互动设计可视化.

优化散热器设计

流体分析和散热器优化,以界定IGBT散热器风扇组件的限度范围.电力电子电路采用直接键合式铜技术,该技术利用带有铜制散热器的电子模块.将模块式散热组件和使用热油脂接口的散热器通过螺栓连接在一起.锻铝(型号为6061-T6)制散热器被用来优化启动点.代表comair rotron模型mt12b3轴流风机的风扇曲线提供了通过导管式散热器的强迫对流情况.该风扇具有的最大气流量达0.1415立方米每秒(cmps)(300cfm),最大静压力达206帕斯卡(水下0.811英寸.).循序优化求解被用来优化翅片数量,翅片厚度和基本轴向厚度.因为仿真中应用到的风扇曲线,流量,流速和压力降受到这些设计参数的影响.

从10个翅片开始,一个翅片的厚度为0.4毫米,基本轴向厚度为4毫米,优化过程中允许在正负30%范围内调整变量.如果优化变量处于范围内最低或最高点,从以往优化值开始,另外运行十次求解.如果优化值没有达到最小或最大值,则在正负10%范围内另外运行十次求解.如果始于同一点进行第二次运行后,优化值不变,则在正负5%范围内开始运行20次求解.如果优化值还是不变,则认为求解完成.

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图5:该图表显示的是各类散热器扩展电阻间的比较

证明气冷式散热能力足够

铝制散热器的优化体现铝的极限性.最终得到的是厚度为54毫米,60厘米x60厘米,拥有127个厚度为1.21毫米翅片的铝制散热器.采用先前描述的风扇曲线,其得到的气流量为0.08672立方米每秒(184立方米每分钟),压力降为84.1帕斯卡(水下0.331英寸.),面积为15.6平方米.总的传热系数约为1.501 Wpm2 K,其导致温度升高85.4℃,热阻值为0.0427度CpW.从结到散热器,使用热电阻,其规定周围环境温度为50度,而结温约为184度,这显然不能被接受.

该仿真结果表明,由于扩展电阻性的影响,不论芯片大小,铝制散热器都无法对其实现散热:所制造的铝制散热器越大,由于扩展电阻性,效率也越低.

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图6表明从铝制,然后到铜制,再到蒸汽腔体散热器,整体性能不断提高.

与铝相比,铜的热导率有大幅度提高,因此在其应用中,性能自然也更高.优化表明:40厘米x 40厘米x 10厘米的铜制散热器能满足温度要求.问题是对于绝大多数应用来说,其重量过大.

由此认识到,在该应用中,扩展电阻性是需要克服的难题,对此,Amulaire公司的工程师尝试采用带有铜制翅片的蒸汽腔体散热器.蒸汽腔体是板形热管,可用作散热器的底板,能使热量更有效地通过平面,减少热源的扩展电阻.而且,蒸汽腔体也更便宜,更简易,比起液冷系统可靠性更高.优化表明通过减少扩展电阻性,更有效地利用散热器的外部空间,蒸汽腔体将散热器的尺寸缩小至20厘米 x 20厘米 x 10厘米.因此,这又将散热器的重量减少至9公斤或20磅左右,其深为大多数应用所接受,其性能同液冷系统一样.

热仿真和自动优化技术的关键在于我们能够证明众多关于铝制散热器中高功率芯片的散热问题可能是源于材料的高扩展电阻性.他们还表明,虽然铜已有了很大改进,但在要求较高的应用中重量又是个问题.蒸汽腔体能提供更低的扩展电阻性,因此,它能更充分地利用散热器的所有空间.