一种获取电力半导体器件用强迫风冷散热器热阻的方法
【专利摘要】本发明公开了一种获取电力半导体器件用强迫风冷散热器热阻的方法，首先由计算机辅助设计软件建立半导体器件―散热器组件模型，然后将该组件模型放置于一长方体风道内，组成电力半导体器件―散热器―风道的几何模型，下一步将该几何模型输入到计算流体力学软件，建立器件、散热器和冷却风道的有限体积模型和物理模型，最后在给定器件耗散功率和冷却风速、风温的条件下，计算出散热器的温度分布，并由此得出散热器在不同冷却风速下的热阻。本发明对具有复杂几何结构的散热器尤其有效，它提高了散热设计的精度，节省了试验测试散热器热阻的时间和费用，无论对散热器的设计还是工程应用都很有效。
【专利说明】一种获取电力半导体器件用强迫风冷散热器热阻的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种获取电力半导体器件用强迫风冷散热器热阻的方法，属于电力电子【技术领域】。
【背景技术】
[0002]电力半导体器件在工作时会产生发热，由于温度升高而导致的元器件损坏是其失效的主要原因。因此，电力半导体器件一般都需要配备散热器将工作时产生的热量散发出去，以确保在任何工况下其温度低于规定值。对于大功率电力半导体器件，在进行散热设计和选取散热器时，需要知道散热器的热阻以校核最大散热功率时器件的温度。对于强迫风冷散热器，其热阻与散热器的材质、结构、尺寸及冷却风速有关。对于大功率电力半导体器件，由于耗散功率大，按散热器产品样本选取时往往误差较大，造成散热器体积过大，给安装布置带来一定困难。因此有必要寻求一种既准确又经济的方法来获取散热器的热阻。
[0003]目前获取散热器热阻的方法是，对于简单规则形状的散热器，如平板翅片式散热器，其热阻可以由理论公式计算得出。而很多电力半导体用的散热器，往往同时起着散热和电气回路连接的双重作用，结构形状都比较复杂，因此无法用理论方法求出散热器的热阻，只有通过试验方法获得。由于试验时需要不同长度尺寸的散热器样本，并需要一整套专门的试验设备，整个试验过程需花费大量时间和费用。
【发明内容】
[0004]本发明提出了一种获取电力半导体器件用强迫风冷散热器热阻的方法，用以解决结构形状比较复杂的散热器无法用理论方法求解热阻的问题。
[0005]本发明所采用的技术方案如下:
一种获取电力半导体器件用强迫风冷散热器热阻的方法，包括以下步骤:
1)利用计算机辅助设计软件建立电力半导体器件和散热器的几何模型，形成器件一散热器组件模型；
2)将所述步骤I)形成的组件模型放置于一长方体冷却风道内，组成电力半导体器件一散热器一风道的几何模型；
3)将所述步骤2)组成的几何模型输入到计算流体力学软件，利用计算流体力学软件对所述几何模型进行网格剖分，建立半导体器件一散热器一冷却风道的有限体积模型；
4)在计算流体力学软件中，建立电力半导体器件一散热器一冷却风道气体的物理模
型；
5)设定边界和初始条件；
6)由计算流体力学软件自动计算气体流动和热传递过程，包括各处气体速度分布和温度分布；
7)达到热平衡状态时，读取给定风速下散热器的温度分布；
8)计算散热器在给定冷却风速下的热阻。[0006]前述的步骤I)器件一散热器组件模型为:电力半导体器件与散热器采用一面或两面散热的方式，即建模时将电力半导体器件与一个或两个散热器连接。
[0007]前述的步骤2)中，冷却风道中冷却气体由下部进入，从顶部流出，即将长方体冷却风道下部定义为入口，上部定义为出口。
[0008]前述的步骤4)电力半导体器件一散热器一冷却风道气体的物理模型是指:
对电力半导体器件，将其等效为一个发热体，其单位时间耗散的热量即功率由该器件
的运行参数计算得出；
对散热器，本身就是热导体，在其表面存在辐射散热和与冷却气体的对流散热；
对冷却风道内的冷却气体，将其等效为具有紊流的理想气体。
[0009]前述的步骤5)中，对电力半导体器件，初始条件为耗散功率和初始温度；
对散热器，初始条件为初始温度；
对冷却气体，初始条件为入口风速和风温；
在电力半导体器件和散热器的界面上，存在接触热阻。
[0010]前述的步骤7)，计算散热器热阻的过程中，取电力半导体器件与散热器连接处的散热器台面温度作为散热器台面规定点温度，取冷却风道入口处的风温作为冷却气体温度。
[0011]本发明对具有复杂几何结构的散热器尤其有效，它提高了散热设计的精度，节省了试验测试散热器热阻的时间和费用，无论对散热器的设计还是工程应用都很有效。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明的流程图；
图2为本发明电力半导体器件、散热器和冷却风道的几何模型；
图3为本发明的具体实施例中散热器热阻曲线图。
【具体实施方式】
[0013]现结合附图和【具体实施方式】详细说明本发明。
[0014]如图1所示，本发明的获取电力半导体器件用强迫风冷散热器热阻的方法，包括以下步骤:
I)建立电力半导体器件和散热器的几何模型，形成器件一散热器组件模型，所建的半导体器件的几何模型和散热器的几何模型与实际应用一致。器件一散热器组件模型中，电力半导体器件与散热器采用一面或两面散热的方式，即电力半导体器件与一个或两个散热器连接。进行几何建模可由任意一种计算机辅助设计软件来实现，而且由于软件之间的兼容性很强，一种电子设计文件可方便地转换为其它种设计文件。图2为某种电力半导体器件和散热器的示例。图中，电力半导体器件I采用两面散热的方式，与两个散热器2连接。
[0015]2)将步骤I)形成的组件模型放置于一长方体冷却风道3内，组成电力半导体器件一散热器一风道的几何模型，冷却风道的尺寸依组件模型的大小进行相应调整。冷却风道3的冷却气体由下部进入，从顶部流出，即将冷却风道下部定义为入口，上部定义为出□。
[0016]3)将步骤2)组成的几何模型输入到计算流体力学软件，目前的计算流体力学软件可读入各种计算机辅助设计软件来的电子文件，然后利用计算流体力学软件对几何模型进行网格剖分，建立半导体器件一散热器一冷却风道的有限体积模型。
[0017]4)在计算流体力学软件中，建立电力半导体器件一散热器一冷却风道气体的物理模型。对电力半导体器件，将其等效为一个发热体，其单位时间耗散的热量即功率由该器件的运行参数计算得出，由器件厂商提供计算公式或曲线，在散热设计时应取最大值计算，尽管功率的大小对热阻的计算结果影响很小。对散热器，其本身是一热导体，在其表面存在辐射散热和与冷却气体的对流散热。对冷却风道内的冷却气体，它可看作是具有紊流的理想气体。器件、散热器和冷却气体之间存在着能量的耦合。
[0018]5)设定边界和初始条件；对电力半导体器件，其初始条件为耗散功率和初始温度。对散热器，其初始条件为初始温度。对冷却气体，其初始条件为入口风速和风温。在电力半导体器件和散热器的界面上，存在接触热阻，此为边界条件。
[0019]6)由计算流体力学软件自动计算气体流动和热传递过程，包括各处气体速度分布和温度分布；
7)当整个系统达到热平衡状态，即各处温度变化小于1°C时，读取散热器各处的温度
值；
8)计算散热器在给定冷却风速下的热阻。按照散热器热阻定义，其值为散热器台面规定点温度与冷却气体温度之差除以耗散功率。在计算中取电力半导体器件与散热器连接处的散热器台面温度作为散热器台面规定点温度，取冷却风道入口处的风温作为冷却气体温度。由此可以作出散热器热阻随冷却风速的变化曲线。作为示例，图3是对图1所示散热器所计算出的热阻曲线。
【权利要求】
1.一种获取电力半导体器件用强迫风冷散热器热阻的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)利用计算机辅助设计软件建立电力半导体器件和散热器的几何模型，形成器件一散热器组件模型； 2)将所述步骤I)形成的组件模型放置于一长方体冷却风道内，组成电力半导体器件一散热器一风道的几何模型； 3)将所述步骤2)组成的几何模型输入到计算流体力学软件，利用计算流体力学软件对所述几何模型进行网格剖分，建立半导体器件一散热器一冷却风道的有限体积模型； 4)在计算流体力学软件中，建立电力半导体器件一散热器一冷却风道气体的物理模型； 5)设定边界和初始条件； 6)由计算流体力学软件自动计算气体流动和热传递过程，包括各处气体速度分布和温度分布； 7)达到热平衡状态时，读取给定风速下散热器的温度分布； 8)计算散热器在给定冷却风速下的热阻。
2.根据权利要求1所述的一种获取电力半导体器件用强迫风冷散热器热阻的方法，其特征在于，所述步骤I)器件一散热器组件模型为:电力半导体器件与散热器采用一面或两面散热的方式，即建模时将电力半导体器件与一个或两个散热器连接。
3.根据权利要求1所述的一种获取电力半导体器件用强迫风冷散热器热阻的方法，其特征在于，所述步骤2)中，冷却风道中冷却气体由下部进入，从顶部流出，即将长方体冷却风道下部定义为入口，上部定义为出口。
4.根据权利要求1所述的一种获取电力半导体器件用强迫风冷散热器热阻的方法，其特征在于，所述步骤4)电力半导体器件一散热器一冷却风道气体的物理模型是指: 对电力半导体器件，将其等效为一个发热体，其单位时间耗散的热量即功率由该器件的运行参数计算得出； 对散热器，本身就是热导体，在其表面存在辐射散热和与冷却气体的对流散热； 对冷却风道内的冷却气体，将其等效为具有紊流的理想气体。
5.根据权利要求1所述的一种获取电力半导体器件用强迫风冷散热器热阻的方法，其特征在于，所述步骤5)中，对电力半导体器件，初始条件为耗散功率和初始温度； 对散热器，初始条件为初始温度； 对冷却气体，初始条件为入口风速和风温； 在电力半导体器件和散热器的界面上，存在接触热阻。
6.根据权利要求1所述的一种获取电力半导体器件用强迫风冷散热器热阻的方法，其特征在于，所述步骤7)，计算散热器热阻的过程中，取电力半导体器件与散热器连接处的散热器台面温度作为散热器台面规定点温度，取冷却风道入口处的风温作为冷却气体温度。
【文档编号】G06F17/50GK104036069SQ201410209999
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月16日 优先权日:2014年5月16日
【发明者】赵绍兴, 霍乾涛, 徐春建 申请人:国电南瑞吉电新能源（南京）有限公司