大功率电力电子器件散热研究综述

时间： 2024-01-21 来源：芯长征科技公众号

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针对现阶段制约电力电子技术发展的散热问题，以温度对电力电子器件的影响、电力电子设备热设计特点、常见散热技术、散热系统优化研究和新材料在电力电子散热研究中的应用这五方面为切入点，论述了大功率电力电子器件散热研究现状，分析了进一步的发展方向；发现针对电力电子器件散热技术的基础理论研究成果较为丰富，并且在散热器的几何和结构优化及散热系统风道设计等方面的研究也已十分深入，不少论文针对性的提出了多种优化结构及优化算法；在未来电力电子器件的散热器件材料研究中新型散热材料和热界面材料的研发仍然是研究重点；并且新散热技术的研究也需进一步深入。

关键词：大功率电力电子器件；热设计；散热；高功率密度

引言

高功率密度电力电子器件是电动汽车、风力发电机、高铁、电网等应用的核心部件。当前大功率电力电子器件正朝着高功率水平、高集成度的方向发展，因此散热问题不可避免的受到关注。大功率半导体器件工作时所产生的热量会引起芯片温度的升高，若没有合适的散热措施，会导致芯片的工作温度超过所允许的最高温度，进而引发器件性能的恶化甚至损坏^［1］。已有研究表明，半导体芯片的温度每升高10 ℃，芯片的可靠性就会降低一半，器件的工作温度越高，器件的生命周期越短，因此降低器件温度是延长其生命周期的有效方法^{［2 － 3］}。

现阶段，已有较多针对各类电力电子器件和设备的热设计、散热优化等方面的研究。本文在前人研究的基础之上，对现有研究内容进行了分析整理，为后期开展各类器件和设备的散热研究提供参考。

1 温度对电力电子器件和设备的影响

1.1 温度对电力电子器件寿命的影响

温度对寿命的影响主要体现在两方面：一是芯片的热失效；二是应力损坏^［4］。常见的硅芯片的安全工作温度一般为-40～50 ℃，在安全工作温度范围内器件可正常工作，当结温超过安全工作温度时，会引起芯片的热失效，硅芯片的最高允许结温一般为 175 ℃^［5］; 另一方面，由于器件内各材料膨胀系数的差异，过高的结温会引起芯片内热应力增大，进而引起芯片内焊料弯曲、键合丝脱落等机械损伤^［5］。陶鑫等^［6］在研究中指出对于引线框架上倒装芯片，因封装中铜引线框架和硅芯片的热膨胀系数差异大，使得热载荷作用下的热应力会引起与焊点相连的芯片表面结构发生破坏；向语嫣^［7］也在文章中指出半导体器件封装时采用的传统回流焊互连技术产生的残余应力会在高温下进一步加剧，最终导致芯片和基板焊料层的脆性断裂。此外，过高的结温还会导致芯片的热击穿，甚至是芯片的热熔化。这些失效都是不可恢复性失效，所以高温对器件的损害是致命的。

1.2 温度对电力电子器件参数的影响

电力电子器件本身的各项参数对温度变化非常敏感。其通态电阻、正向压降、阈值电压、导通电流等参数均会随温度的变化而变化^{［8 － 9］}。如功率 MOSFET 的通态电阻随结温的升高近似线性增大，因此器件的同态损耗也将增大，导致器件产生更多的热量，进一步使结温升高，从而造成恶性循环。对于 IGBT 而言，已有相关研究表明其关断延迟时间会随器件工作结温的升高而增加^［10］。对热敏参数的合理利用，可以作为器件结温的表征参数^{［11 － 13］}; 而热敏参数的失控则会对器件造成严重损坏，并且这由热敏参数造成的损坏往往会随温度的升高进一步恶化。

1.3 温度对设备体积、重量的影响

针对电力电子设备的热设计主要依靠工程人员的经验而缺乏系统的热设计理论。而这种粗略的散热设计会使整个设备散热性能过于冗余，在未经优化改进前，往往会造成设备整体重量及体积过大、散热效率低下等^［6］。此外，设备散热系统的进一步优化由于缺乏系统的理论及方法支持，主要依靠反复的散热实验，不仅效率低下，而且浪费资源。由于工程人员对设备散热设计的重视程度远远低于电气设计，不合理的散热系统不仅会对设备整体的体积、重量有影响，也会制约设备其他器件的布局和安装空间等。相反，合理的散热设计则能显著提高设备的热可靠性，并且能够合理利用设备空间及布局，便于设备的轻型化。

2 电力电子设备热设计特点

电力电子设备的热设计不仅仅只涉及传热学领域，如图1 所示在采用热电模拟法对典型电力电子器件传热路径分析中，为达到良好的散热效果并且兼顾设备的可靠性、轻量化及小型化要求，需要综合考虑温度场、应力场和流场的耦合问题。Kong 充分考虑了温度场、电场和力场之间的耦合作用，对集成电路中金属键合线在电磁脉冲下的电热特性与机械特性展开研究，揭示了不同电磁脉冲波形对金属键合线的热－机械响应的影响; 唐柳青在对 LED 的散热优化中针对现有研究的不足，同样从多场耦合传热角度完成了散热结构的优化改进，提高了散热效果。在由上述分析可知，电力电子设备的热设计是一个涉及机械、电子、传热学和流体力学等多个学科门类的研究，因此需要考虑电力电子设备的机－电－热一体化设计，并且着重研究电力电子器件的电－热－力多物理场的耦合作用问题。

图 1 电力电子器件传热路径的多场耦合分析框图

3 常见散热技术

电力电子器件热量传输的过程中包含了热传导、热对流和热辐射 3 种方式，其中从芯片到散热器的热传导以及从散热器到周围环境的热对流为主要的热量传输方式。因此电力电子设备的散热设计主要从这两方面入手，常见的散热方式按其从散热器带走热量的方式不同可分为主动散热、被动散热及热电冷却等。其中，被动散热主要包括常见的自然对流，间接接触的气液、固液相变冷却，及直接接触的浸没式液体冷却和相变冷却等; 主动散热则主要包括常见的强迫风冷散热、强迫液冷等方式。电力电子设备散热技术在研发新的散热技术的同时对已有的散热方式也在不断地优化和改进，以充分发挥已有散热方式的散热能力。图 2 为常见散热方式所对应的热流密度范围示意图。

图 2 常见散热方式对应的热流密度范围示意图

3.1 自然对流散热

自然对流散热技术以空气为传热介质，利用空气本身热胀冷缩产生的浮生力，使散热器翅片周围空气流动，实现热空气和冷空气之间的交换。相比于其他散热方式，自然对流散热不需要额外提供能量，结构简单，运行可靠，基本不需要维护，因此在热流密度不大的场合应用十分广泛。由于散热结构简单，因此针对自然对流散热的研究主要以优化散热器结构及安装方向为主，近年来以场协同原理为理论支撑的散热研究开展较多。

3.2 强迫风冷散热

与自然对流散热相比，强迫风冷散热空气的运动是依靠风扇来提供动力，由于空气的运动速度大大提高，因此，其散热能力更强，热流密度明显高于自然对流散热，约为自然风冷的 5 ～ 10 倍。强迫风冷散热结构的设计研究主要包括热沉结构参数设计、散热风扇的选型及流体风道设计等方面，以上三方面设计要使散热面积、空气流量和空气压降得到平衡，才能使强迫风冷散热发挥最佳效果。由于强迫风冷散热效果明显好于自然风冷，虽然散热效果不如强制液冷，但其复杂程度、体积、重量和后期维护方面明显优于液冷，因在能够在大功率电力电子器件的热设计中广泛应用和快速发展。

3.3 强迫液冷散热

图3所示强迫液冷的典型结构。散热结构中热源产生的热量通过导热的方式经器件封装和液冷板，最终传递给冷却液体，受热后的液体在泵的作用下被输送到换热器部分，最终热量经换热器散发到周围环境中。强迫液冷与强迫风冷相比，通过冷却液体将热源处的热量转移到换热器部分，与热源直接接触的是液体，由于液体的导热性明显高于空气，因此其散热效果明显优于强迫风冷散热，其散热能力约为风冷的 6 ～ 10 倍。在液冷散热中采用导热性更佳的介质能够显著提高散热效果，王德辉提出了将液态金属作为冷却工质应用于电力电子器件散热系统中的热展开环节，并通过仿真加实验的方法验证了液态金属应用于大功率电力电子器件液冷散热的可能性。由于系统中液体的存在，需要考虑到液体的更换和防止液体泄露对器件的损坏等问题，强迫液冷对液体可靠性和管路系统要求较高，且由于系统结构复杂、零部件较多，体积、重量明显大于风冷散热，因此对其应用环境有一定限制。

图 3 强迫液冷散热典型结构示意图

3.4 相变散热

利用材料相变吸热原理，将热源发出的热量转化为相变潜热，最终经再次相变释放到环境中去。按相变介质与器件是否直接接触可分为直接相变散热和间接相变散热，其中直接相变散热中电子元器件直接浸没在散热介质中，器件产生的热量直接传导给相变介质，介质通过对流和相变将热量向外界环境传播，因此在相变介质的选取中需要充分考虑材料的导电性、沸点、流动性等方面因素。间接相变散热中因相变介质不与器件直接接触，热源产生的热量经热界面材料、外壳传导给相变介质，因此对介质的导电性无要求，但整体传热效果受热界面材料和壳体导热率影响较大。

3.5 热电冷却

热电冷却是利用半导体材料的帕尔贴效应，即电流流经两种不同材料界面时，将从外界吸收或放出热量，近年来随着半导体材料制造技术的发展，热电冷却方式发展迅速。图 4 为热电冷却的典型结构，虽然热电冷却的制冷端能够显著降低热源的温度，但其总的散热能力受限于热端的散热能力，因此，系统整体的散热效果与热端散热方式密切相关。由于热电冷却中热端仍需采取一定的散热措施，造成整体散热系统较为复杂且笨重，对其应用限制较大。

图 4 热电冷却典型结构示意图

3.6 热管散热

热管散热同样是一种利用液体相变传热原理: 热管内部饱和液体从高温侧吸收热量而汽化，饱和蒸汽流动到低温侧放热并冷凝成液体，经重力或毛细力作用下回流到高温侧继续参与吸、放热循环。图 5 所示为重力热管的典型结构。热管散热虽为被动式散热，但其具有其他金属难以比拟的优秀导热能力，因而具有广阔的应用前景，近年来各种形式的热管散热技术发展迅速。沈晶晶针对超算集群 CPU 研究的重力热管散热系统能够使服务器在满负荷运行条件下保持 CPU 平均核心温度在 74 ℃以下，并且能够显著降低数据中心的 PUE 值，实现机房的节能减排; Shu在针对大功率半导体激光器的热设计研究中发现，使用 U 形热管进行散热，功率密度可达 367 W/cm²，冷却效果显著。

图 5 重力热管典型结构示意图

3.7 微通道散热

关于微通道的定义主要有两种: 一种指水力直径为0． 01 ～ 0． 2 mm 的通道可称为微通道; 另一种根据浮升力与表面张力的比值来定义。不论何种定义方式，微通道散热技术凭借其尺寸小、传热温差小和单位面积换热效率高等突出优点，日益受到研究人员的关注，近年来随着微通道理论的不断完善以及加工技术的飞速发展，使得该技术已成为学者们的研究热点。针对微通道散热技术的研究主要集中于通道尺寸优化、通道介质的流动和传热特性等方面。洪芳军等提出了一种树型微通道网络结构，并通过仿真和实验的方式验证了该新型微通到结构与传统平行微通道相比，在流动压降、温度均匀性及热阻方面的均有明显优势; 此外，两相工质在微通道中的应用研究也在逐渐增多，Chien 等针对两相流体Ｒ410A 在微通道中的沸腾换热展开研究，发现通过工质的相变吸热能够显著提高微通道散热的热流密度。

4 结论

本文对现有大功率电力电子器件的散热研究进行了详细介绍分析。在解决大功率电力电子器件的散热问题时，首先要以热力学理论为基础，从热力学基本定律出发; 重视新材料的研发与生产，不论是散热材料还是热界面材料，新材料均有着无可比拟的优势，研发热性能优越的新材料，并降低生产应用成本，使其能够广泛普及，才能够充分发挥出现有散热技术的散热潜力，提高散热效果。对于新的散热技术的研究也要继续深入，现有散热技术从被动到主动，从自然对流到强迫风冷再到强迫液冷，以及从单相散热到多相散热的发展过程中，热流密度已大幅度增加，新型散热方式虽然会不可避免的伴随着整体结构的改变，但其热流密度的提高是显著的，对提高设备整体的散热效果具有重要意义。

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