基于散热器设计的大功率IGBT散热器水冷热阻计算

出两者水道内液体流动分布情况。

选取λf水的导热系数为0.5W/mK，h水的强制对流换热系数为1 000 W/m2K。为了计算方便将有关散热片厚度等细小尺寸忽略不计，机车用IGBT四象限模块的散热器外形尺寸为L=0.005 m，L=0.55m，B=0.45 m。由于外形尺寸是一样，串联A模型与并联B模型的热阻量的区别在于As的不同。将散热器内壁上下面板面积，前后面板以及左右面板的面积，以及散热片总面积分别设为As1，As2，As3，As4。串联A模型内部散热片有19片。As1=0.495 m2，As2=0.043 2m2，As3=0.052 8m2，As4=0.820 8 m2。总的有效散热面积此时变为：As=As1+As2+As3+ As4=1.411 8 m2。再将各参数代入式(9)中，得出串联A模型的热阻为：

B模型，由速度分布截图可知，水从入水口处进入，大概只在散热器中间1/3部分流过，左右两边其他部分流速几乎为0，忽略不计。这样可以定义上下面板有效散热面积为整体面积1/3，前后面板有效散热面积也为整体面积1/3，左右面板没有水流经过不算有效散热面积。水流经过中间散热片的有效个数为6片。则有：

2 求解散热器热阻和绘制热阻曲线的软件

2.1 界面形式

主界面形式如图3所示。根据需要，这一软件主要设计了两个功能模块。一个是用来具体水冷热阻值计算的模块，另一个是水冷热阻曲线绘制的模块。

散热器水冷热阻计算模块界面如图4所示。

其中l为散热器的长度，单位是m;B为散热器宽度，单位是米;L为散热器厚度，单位是米;A为散热器总有效散热面积，单位是平方米;h为水的强制对流换热系数，单位W/m2K;λ为水的导热系数，单位是W/mK。计算结果为水冷散热器热阻值，单位是cm2K/W。这一模块功能带有演算的性质，可以实现在散热器几何尺寸，水的强制对流换热系数，水的导热系数确定的条件下，计算出该散热器对应的热阻值。水冷散热器热阻曲线绘图模块如图5，图6所示。其参数意义同图4。水冷散热器曲线给出了散热器总面积，水的强制对流换热系数和热阻间的定量关系。解决了两个问题;对于给定有效散热面积面积的散热器，为实现特定的热阻，需达到多大的水的强制对流换热系数，即需多大的管径的问题。对于特定的水的强制对流换热系数，如何通过散热器的散热面积面积来控制热阻的问题。2.2 热阻计算说明

下面用实例说明图5，图6热阻曲线的制图过程。在“1.3实例”中已经计算出串联A模型，B模型的总热阻。首先，我们将水的导热系数λ=0.5 W/mk，L=0.005 m，ls=0.55 m，B=0.45m填入相应空格内。然后选择曲线类型。不同水的强制对流换热系数下，散热器有效散热面积与热阻之间的关系如图5所示。不同有效散热面积下，水的强制对流换热系数与热阻之间的关系如图6所示。在界面左下方还有“计算水冷热阻”，点击进入热阻计算界面，如图所示。按要求填入各个参数值：λ=0.5 W/mK，L=0.005 m，ls=0.55 m，B=0.45 m，h=1 000W/m2K当输入面积为1.4118是算出热阻值为92.502 801 066 337 cm2K/W，与上面公式计算模型A结果92.503 cm2K/W相吻合。

3 结语

本文主要介绍了利用传热学基础原理和公式推导的大功率半导体器件用散热器水冷热阻计算公式和为应用方便开发的此公式的热阻计算和热阻曲线绘图计算机软件，经实例计算和曲线的绘制，可用于水冷散热器设计时参考。要注意的是本公式的精确性受到多重因素的影响，存在一定的误差，且本文中所用的散热器热阻公式只适合水冷散热器。