摘要:

針對(duì)現(xiàn)階段制約電力電子技術(shù)發(fā)展的散熱問(wèn)題，以溫度對(duì)電力電子器件的影響、電力電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)特點(diǎn)、常見(jiàn)散熱技術(shù)、散熱系統(tǒng)優(yōu)化研究和新材料在電力電子散熱研究中的應(yīng)用這五方面為切入點(diǎn)，論述了大功率電力電子器件散熱研究現(xiàn)狀，分析了進(jìn)一步的發(fā)展方向; 發(fā)現(xiàn)針對(duì)電力電子器件散熱技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究成果較為豐富，并且在散熱器的幾何和結(jié)構(gòu)優(yōu)化及散熱系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計(jì)等方面的研究也已十分深入，不少論文針對(duì)性的提出了多種優(yōu)化結(jié)構(gòu)及優(yōu)化算法; 在未來(lái)電力電子器件的散熱器件材料研究中新型散熱材料和熱界面材料的研發(fā)仍然是研究重點(diǎn); 并且新散熱技術(shù)的研究也需進(jìn)一步深入。

0 引言

高功率密度電力電子器件是電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、高鐵、電網(wǎng)等應(yīng)用的核心部件。當(dāng)前大功率電力電子器件正朝著高功率水平、高集成度的方向發(fā)展，因此散熱問(wèn)題不可避免的受到關(guān)注。大功率半導(dǎo)體器件工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量會(huì)引起芯片溫度的升高，若沒(méi)有合適的散熱措施，會(huì)導(dǎo)致芯片的工作溫度超過(guò)所允許的最高溫度，進(jìn)而引發(fā)器件性能的惡化甚至損壞［1］。已有研究表明，半導(dǎo)體芯片的溫度每升高10 ℃，芯片的可靠性就會(huì)降低一半，器件的工作溫度越高，器件的生命周期越短，因此降低器件溫度是延長(zhǎng)其生命周期的有效方法［2 － 3］。

現(xiàn)階段，已有較多針對(duì)各類(lèi)電力電子器件和設(shè)備的熱設(shè)計(jì)、散熱優(yōu)化等方面的研究。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，對(duì)現(xiàn)有研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了分析整理，為后期開(kāi)展各類(lèi)器件和設(shè)備的散熱研究提供參考。

1 溫度對(duì)電力電子器件和設(shè)備的影響

1.1 溫度對(duì)電力電子器件壽命的影響

溫度對(duì)壽命的影響主要體現(xiàn)在兩方面: 一是芯片的熱失效; 二是應(yīng)力損壞［4］。常見(jiàn)的硅芯片的安全工作溫度一般為－ 40 ～ 50 ℃，在安全工作溫度范圍內(nèi)器件可正常工作，當(dāng)結(jié)溫超過(guò)安全工作溫度時(shí)，會(huì)引起芯片的熱失效，硅芯片的最高允許結(jié)溫一般為 175 ℃［5］; 另一方面，由于器件內(nèi)各材料膨脹系數(shù)的差異，過(guò)高的結(jié)溫會(huì)引起芯片內(nèi)熱應(yīng)力增大，進(jìn)而引起芯片內(nèi)焊料彎曲、鍵合絲脫落等機(jī)械損傷［5］。陶鑫等［6］在研究中指出對(duì)于引線框架上倒裝芯片，因封裝中銅引線框架和硅芯片的熱膨脹系數(shù)差異大，使得熱載荷作用下的熱應(yīng)力會(huì)引起與焊點(diǎn)相連的芯片表面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞; 向語(yǔ)嫣［7］也在文章中指出半導(dǎo)體器件封裝時(shí)采用的傳統(tǒng)回流焊互連技術(shù)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)在高溫下進(jìn)一步加劇，最終導(dǎo)致芯片和基板焊料層的脆性斷裂。此外，過(guò)高的結(jié)溫還會(huì)導(dǎo)致芯片的熱擊穿，甚至是芯片的熱熔化。這些失效都是不可恢復(fù)性失效，所以高溫對(duì)器件的損害是致命的。

1.2 溫度對(duì)電力電子器件參數(shù)的影響

電力電子器件本身的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)溫度變化非常敏感。其通態(tài)電阻、正向壓降、閾值電壓、導(dǎo)通電流等參數(shù)均會(huì)隨溫度的變化而變化［8 － 9］。如功率 MOSFET 的通態(tài)電阻隨結(jié)溫的升高近似線性增大，因此器件的同態(tài)損耗也將增大，導(dǎo)致器件產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)一步使結(jié)溫升高，從而造成惡性循環(huán)。對(duì)于 IGBT 而言，已有相關(guān)研究表明其關(guān)斷延遲時(shí)間會(huì)隨器件工作結(jié)溫的升高而增加［10］。對(duì)熱敏參數(shù)的合理利用，可以作為器件結(jié)溫的表征參數(shù)［11 － 13］; 而熱敏參數(shù)的失控則會(huì)對(duì)器件造成嚴(yán)重?fù)p壞，并且這由熱敏參數(shù)造成的損壞往往會(huì)隨溫度的升高進(jìn)一步惡化。

1.3 溫度對(duì)設(shè)備體積、重量的影響

針對(duì)電力電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)主要依靠工程人員的經(jīng)驗(yàn)而缺乏系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)理論。而這種粗略的散熱設(shè)計(jì)會(huì)使整個(gè)設(shè)備散熱性能過(guò)于冗余，在未經(jīng)優(yōu)化改進(jìn)前，往往會(huì)造成設(shè)備整體重量及體積過(guò)大、散熱效率低下等［6］。此外，設(shè)備散熱系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化由于缺乏系統(tǒng)的理論及方法支持，主要依靠反復(fù)的散熱實(shí)驗(yàn)，不僅效率低下，而且浪費(fèi)資源。由于工程人員對(duì)設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電氣設(shè)計(jì)，不合理的散熱系統(tǒng)不僅會(huì)對(duì)設(shè)備整體的體積、重量有影響，也會(huì)制約設(shè)備其他器件的布局和安裝空間等。相反，合理的散熱設(shè)計(jì)則能顯著提高設(shè)備的熱可靠性，并且能夠合理利用設(shè)備空間及布局，便于設(shè)備的輕型化。

2 電力電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)特點(diǎn)

電力電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)不僅僅只涉及傳熱學(xué)領(lǐng)域，如圖1 所示在采用熱電模擬法對(duì)典型電力電子器件傳熱路徑分析中，為達(dá)到良好的散熱效果并且兼顧設(shè)備的可靠性、輕量化及小型化要求，需要綜合考慮溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和流場(chǎng)的耦合問(wèn)題。Kong 充分考慮了溫度場(chǎng)、電場(chǎng)和力場(chǎng)之間的耦合作用，對(duì)集成電路中金屬鍵合線在電磁脈沖下的電熱特性與機(jī)械特性展開(kāi)研究，揭示了不同電磁脈沖波形對(duì)金屬鍵合線的熱 － 機(jī)械響應(yīng)的影響; 唐柳青 在對(duì) LED 的散熱優(yōu)化中針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，同樣從多場(chǎng)耦合傳熱角度完成了散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，提高了散熱效果。在由上述分析可知，電力電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及機(jī)械、電子、傳熱學(xué)和流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科門(mén)類(lèi)的研究，因此需要考慮電力電子設(shè)備的機(jī) － 電 － 熱一體化設(shè)計(jì)，并且著重研究電力電子器件的電－ 熱 － 力多物理場(chǎng)的耦合作用問(wèn)題。

圖 1 電力電子器件傳熱路徑的多場(chǎng)耦合分析框圖

3 常見(jiàn)散熱技術(shù)

電力電子器件熱量傳輸?shù)倪^(guò)程中包含了熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射 3 種方式，其中從芯片到散熱器的熱傳導(dǎo)以及從散熱器到周?chē)h(huán)境的熱對(duì)流為主要的熱量傳輸方式。因此電力電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)主要從這兩方面入手，常見(jiàn)的散熱方式按其從散熱器帶走熱量的方式不同可分為主動(dòng)散熱、被動(dòng)散熱及熱電冷卻等。其中，被動(dòng)散熱主要包括常見(jiàn)的自然對(duì)流，間接接觸的氣液、固液相變冷卻，及直接接觸的浸沒(méi)式液體冷卻和相變冷卻等; 主動(dòng)散熱則主要包括常見(jiàn)的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱、強(qiáng)迫液冷等方式。電力電子設(shè)備散熱技術(shù)在研發(fā)新的散熱技術(shù)的同時(shí)對(duì)已有的散熱方式也在不斷地優(yōu)化和改進(jìn)，以充分發(fā)揮已有散熱方式的散熱能力。圖 2 為常見(jiàn)散熱方式所對(duì)應(yīng)的熱流密度范圍示意圖。

圖 2 常見(jiàn)散熱方式對(duì)應(yīng)的熱流密度范圍示意圖

3.1 自然對(duì)流散熱

自然對(duì)流散熱技術(shù)以空氣為傳熱介質(zhì)，利用空氣本身熱脹冷縮產(chǎn)生的浮生力，使散熱器翅片周?chē)諝饬鲃?dòng)，實(shí)現(xiàn)熱空氣和冷空氣之間的交換。相比于其他散熱方式，自然對(duì)流散熱不需要額外提供能量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，基本不需要維護(hù)，因此在熱流密度不大的場(chǎng)合應(yīng)用十分廣泛。由于散熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此針對(duì)自然對(duì)流散熱的研究主要以?xún)?yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)及安裝方向?yàn)橹鳎陙?lái)以場(chǎng)協(xié)同原理為理論支撐的散熱研究開(kāi)展較多。

3.2 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱

與自然對(duì)流散熱相比，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱空氣的運(yùn)動(dòng)是依靠風(fēng)扇來(lái)提供動(dòng)力，由于空氣的運(yùn)動(dòng)速度大大提高，因此，其散熱能力更強(qiáng)，熱流密度明顯高于自然對(duì)流散熱，約為自然風(fēng)冷的 5 ～ 10 倍。強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究主要包括熱沉結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)、散熱風(fēng)扇的選型及流體風(fēng)道設(shè)計(jì)等方面，以上三方面設(shè)計(jì)要使散熱面積、空氣流量和空氣壓降得到平衡，才能使強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱發(fā)揮最佳效果。由于強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱效果明顯好于自然風(fēng)冷，雖然散熱效果不如強(qiáng)制液冷，但其復(fù)雜程度、體積、重量和后期維護(hù)方面明顯優(yōu)于液冷，因在能夠在大功率電力電子器件的熱設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。

3.3 強(qiáng)迫液冷散熱

圖 3 所示強(qiáng)迫液冷的典型結(jié)構(gòu)。散熱結(jié)構(gòu)中熱源產(chǎn)生的熱量通過(guò)導(dǎo)熱的方式經(jīng)器件封裝和液冷板，最終傳遞給冷卻液體，受熱后的液體在泵的作用下被輸送到換熱器部分，最終熱量經(jīng)換熱器散發(fā)到周?chē)h(huán)境中。強(qiáng)迫液冷與強(qiáng)迫風(fēng)冷相比，通過(guò)冷卻液體將熱源處的熱量轉(zhuǎn)移到換熱器部分，與熱源直接接觸的是液體，由于液體的導(dǎo)熱性明顯高于空氣，因此其散熱效果明顯優(yōu)于強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，其散熱能力約為風(fēng)冷的 6 ～ 10 倍。在液冷散熱中采用導(dǎo)熱性更佳的介質(zhì)能夠顯著提高散熱效果，王德輝提出了將液態(tài)金屬作為冷卻工質(zhì)應(yīng)用于電力電子器件散熱系統(tǒng)中的熱展開(kāi)環(huán)節(jié)，并通過(guò)仿真加實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了液態(tài)金屬應(yīng)用于大功率電力電子器件液冷散熱的可能性。由于系統(tǒng)中液體的存在，需要考慮到液體的更換和防止液體泄露對(duì)器件的損壞等問(wèn)題，強(qiáng)迫液冷對(duì)液體可靠性和管路系統(tǒng)要求較高，且由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件較多，體積、重量明顯大于風(fēng)冷散熱，因此對(duì)其應(yīng)用環(huán)境有一定限制。

圖 3 強(qiáng)迫液冷散熱典型結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 相變散熱

利用材料相變吸熱原理，將熱源發(fā)出的熱量轉(zhuǎn)化為相變潛熱，最終經(jīng)再次相變釋放到環(huán)境中去。按相變介質(zhì)與器件是否直接接觸可分為直接相變散熱和間接相變散熱，其中直接相變散熱中電子元器件直接浸沒(méi)在散熱介質(zhì)中，器件產(chǎn)生的熱量直接傳導(dǎo)給相變介質(zhì)，介質(zhì)通過(guò)對(duì)流和相變將熱量向外界環(huán)境傳播，因此在相變介質(zhì)的選取中需要充分考慮材料的導(dǎo)電性、沸點(diǎn)、流動(dòng)性等方面因素。間接相變散熱中因相變介質(zhì)不與器件直接接觸，熱源產(chǎn)生的熱量經(jīng)熱界面材料、外殼傳導(dǎo)給相變介質(zhì)，因此對(duì)介質(zhì)的導(dǎo)電性無(wú)要求，但整體傳熱效果受熱界面材料和殼體導(dǎo)熱率影響較大。

3.5 熱電冷卻

熱電冷卻是利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)，即電流流經(jīng)兩種不同材料界面時(shí)，將從外界吸收或放出熱量，近年來(lái)隨著半導(dǎo)體材料制造技術(shù) 的發(fā)展，熱電冷卻方式發(fā)展迅速。圖 4 為熱電冷卻的典型結(jié)構(gòu)，雖然熱電冷卻的制冷端能夠顯著降低熱源的溫度，但其總的散熱能力受限于熱端的散熱能力，因此，系統(tǒng)整體的散熱效果與熱端散熱方式密切相關(guān)。由于熱電冷卻中熱端仍需采取一定的散熱措施，造成整體散熱系統(tǒng)較為復(fù)雜且笨重，對(duì)其應(yīng)用限制較大。

圖 4 熱電冷卻典型結(jié)構(gòu)示意圖

3.6 熱管散熱

熱管散熱同樣是一種利用液體相變傳熱原理: 熱管內(nèi)部飽和液體從高溫側(cè)吸收熱量而汽化，飽和蒸汽流動(dòng)到低溫側(cè)放熱并冷凝成液體，經(jīng)重力或毛細(xì)力作用下回流到高溫側(cè)繼續(xù)參與吸、放熱循環(huán)。圖 5 所示為重力熱管的典型結(jié)構(gòu)。熱管散熱雖為被動(dòng)式散熱，但其具有其他金屬難以比擬的優(yōu)秀導(dǎo)熱能力，因而具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)各種形式的熱管散熱技術(shù)發(fā)展迅速。沈晶晶針對(duì)超算集群 CPU 研究的重力熱管散熱系統(tǒng)能夠使服務(wù)器在滿負(fù)荷運(yùn)行條件下保持 CPU 平均核心溫度在 74 ℃以下，并且能夠顯著降低數(shù)據(jù)中心的 PUE 值，實(shí)現(xiàn)機(jī)房的節(jié)能減排; Shu在針對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器的熱設(shè)計(jì)研究中發(fā)現(xiàn)，使用 U 形熱管進(jìn)行散熱，功率密度可達(dá) 367 W/cm2，冷卻效果顯著。

圖 5 重力熱管典型結(jié)構(gòu)示意圖

3.7 微通道散熱

關(guān)于微通道的定義主要有兩種:一種指水力直徑為0． 01 ～ 0． 2 mm 的通道可稱(chēng)為微通道; 另一種根據(jù)浮升力與表面張力的比值來(lái)定義。不論何種定義方式，微通道散熱技術(shù)憑借其尺寸小、傳熱溫差小和單位面積換熱效率高等突出優(yōu)點(diǎn)，日益受到研究人員的關(guān)注，近年來(lái)隨著微通道理論的不斷完善以及加工技術(shù)的飛速發(fā)展，使得該技術(shù)已成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。針對(duì)微通道散熱技術(shù)的研究主要集中于通道尺寸優(yōu)化、通道介質(zhì)的流動(dòng)和傳熱特性等方面。洪芳軍等提出了一種樹(shù)型微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證了該新型微通到結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)平行微通道相比，在流動(dòng)壓降、溫度均勻性及熱阻方面的均有明顯優(yōu)勢(shì); 此外，兩相工質(zhì)在微通道中的應(yīng)用研究也在逐漸增多，Chien 等針對(duì)兩相流體 Ｒ410A 在微通道中的沸騰換熱展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)通過(guò)工質(zhì)的相變吸熱能夠顯著提高微通道散熱的熱流密度。

4 結(jié)論

本文對(duì)現(xiàn)有大功率電力電子器件的散熱研究進(jìn)行了詳細(xì)介紹分析。在解決大功率電力電子器件的散熱問(wèn)題時(shí)，首先要以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，從熱力學(xué)基本定律出發(fā); 重視新材料的研發(fā)與生產(chǎn)，不論是散熱材料還是熱界面材料，新材料均有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，研發(fā)熱性能優(yōu)越的新材料，并降低生產(chǎn)應(yīng)用成本，使其能夠廣泛普及，才能夠充分發(fā)揮出現(xiàn)有散熱技術(shù)的散熱潛力，提高散熱效果。對(duì)于新的散熱技術(shù)的研究也要繼續(xù)深入，現(xiàn)有散熱技術(shù)從被動(dòng)到主動(dòng)，從自然對(duì)流到強(qiáng)迫風(fēng)冷再到強(qiáng)迫液冷，以及從單相散熱到多相散熱的發(fā)展過(guò)程中，熱流密度已大幅度增加，新型散熱方式雖然會(huì)不可避免的伴隨著整體結(jié)構(gòu)的改變，但其熱流密度的提高是顯著的，對(duì)提高設(shè)備整體的散熱效果具有重要意義。

文章來(lái)源：功率半導(dǎo)體生態(tài)圈

審核編輯：湯梓紅