大功率電力電子器件散熱研究綜述

摘要:

針對現階段制約電力電子技術發展的散熱問題，以溫度對電力電子器件的影響、電力電子設備熱設計特點、常見散熱技術、散熱系統優化研究和新材料在電力電子散熱研究中的應用這五方面為切入點，論述了大功率電力電子器件散熱研究現狀，分析了進一步的發展方向; 發現針對電力電子器件散熱技術的基礎理論研究成果較為豐富，并且在散熱器的幾何和結構優化及散熱系統風道設計等方面的研究也已十分深入，不少論文針對性的提出了多種優化結構及優化算法; 在未來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仍然是研究重點; 并且新散熱技術的研究也需進一步深入。

0 引言

高功率密度電力電子器件是電動汽車、風力發電機、高鐵、電網等應用的核心部件。當前大功率電力電子器件正朝著高功率水平、高集成度的方向發展，因此散熱問題不可避免的受到關注。大功率半導體器件工作時所產生的熱量會引起芯片溫度的升高，若沒有合適的散熱措施，會導致芯片的工作溫度超過所允許的最高溫度，進而引發器件性能的惡化甚至損壞［1］。已有研究表明，半導體芯片的溫度每升高10 ℃，芯片的可靠性就會降低一半，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其生命周期的有效方法［2 － 3］。

現階段，已有較多針對各類電力電子器件和設備的熱設計、散熱優化等方面的研究。本文在前人研究的基礎之上，對現有研究內容進行了分析整理，為后期開展各類器件和設備的散熱研究提供參考。

1 溫度對電力電子器件和設備的影響

1.1 溫度對電力電子器件壽命的影響

溫度對壽命的影響主要體現在兩方面: 一是芯片的熱失效; 二是應力損壞［4］。常見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器件可正常工作，當結溫超過安全工作溫度時，會引起芯片的熱失效，硅芯片的最高允許結溫一般為 175 ℃［5］; 另一方面，由于器件內各材料膨脹系數的差異，過高的結溫會引起芯片內熱應力增大，進而引起芯片內焊料彎曲、鍵合絲脫落等機械損傷［5］。陶鑫等［6］在研究中指出對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差異大，使得熱載荷作用下的熱應力會引起與焊點相連的芯片表面結構發生破壞; 向語嫣［7］也在文章中指出半導體器件封裝時采用的傳統回流焊互連技術產生的殘余應力會在高溫下進一步加劇，最終導致芯片和基板焊料層的脆性斷裂。此外，過高的結溫還會導致芯片的熱擊穿，甚至是芯片的熱熔化。這些失效都是不可恢復性失效，所以高溫對器件的損害是致命的。

1.2 溫度對電力電子器件參數的影響

電力電子器件本身的各項參數對溫度變化非常敏感。其通態電阻、正向壓降、閾值電壓、導通電流等參數均會隨溫度的變化而變化［8 － 9］。如功率 MOSFET 的通態電阻隨結溫的升高近似線性增大，因此器件的同態損耗也將增大，導致器件產生更多的熱量，進一步使結溫升高，從而造成惡性循環。對于 IGBT 而言，已有相關研究表明其關斷延遲時間會隨器件工作結溫的升高而增加［10］。對熱敏參數的合理利用，可以作為器件結溫的表征參數［11 － 13］; 而熱敏參數的失控則會對器件造成嚴重損壞，并且這由熱敏參數造成的損壞往往會隨溫度的升高進一步惡化。

1.3 溫度對設備體積、重量的影響

針對電力電子設備的熱設計主要依靠工程人員的經驗而缺乏系統的熱設計理論。而這種粗略的散熱設計會使整個設備散熱性能過于冗余，在未經優化改進前，往往會造成設備整體重量及體積過大、散熱效率低下等［6］。此外，設備散熱系統的進一步優化由于缺乏系統的理論及方法支持，主要依靠反復的散熱實驗，不僅效率低下，而且浪費資源。由于工程人員對設備散熱設計的重視程度遠遠低于電氣設計，不合理的散熱系統不僅會對設備整體的體積、重量有影響，也會制約設備其他器件的布局和安裝空間等。相反，合理的散熱設計則能顯著提高設備的熱可靠性，并且能夠合理利用設備空間及布局，便于設備的輕型化。

2 電力電子設備熱設計特點

電力電子設備的熱設計不僅僅只涉及傳熱學領域，如圖1 所示在采用熱電模擬法對典型電力電子器件傳熱路徑分析中，為達到良好的散熱效果并且兼顧設備的可靠性、輕量化及小型化要求，需要綜合考慮溫度場、應力場和流場的耦合問題。Kong 充分考慮了溫度場、電場和力場之間的耦合作用，對集成電路中金屬鍵合線在電磁脈沖下的電熱特性與機械特性展開研究，揭示了不同電磁脈沖波形對金屬鍵合線的熱 － 機械響應的影響; 唐柳青 在對 LED 的散熱優化中針對現有研究的不足，同樣從多場耦合傳熱角度完成了散熱結構的優化改進，提高了散熱效果。在由上述分析可知，電力電子設備的熱設計是一個涉及機械、電子、傳熱學和流體力學等多個學科門類的研究，因此需要考慮電力電子設備的機 － 電 － 熱一體化設計，并且著重研究電力電子器件的電－ 熱 － 力多物理場的耦合作用問題。

圖 1 電力電子器件傳熱路徑的多場耦合分析框圖

3 常見散熱技術

電力電子器件熱量傳輸的過程中包含了熱傳導、熱對流和熱輻射 3 種方式，其中從芯片到散熱器的熱傳導以及從散熱器到周圍環境的熱對流為主要的熱量傳輸方式。因此電力電子設備的散熱設計主要從這兩方面入手，常見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散熱、被動散熱及熱電冷卻等。其中，被動散熱主要包括常見的自然對流，間接接觸的氣液、固液相變冷卻，及直接接觸的浸沒式液體冷卻和相變冷卻等; 主動散熱則主要包括常見的強迫風冷散熱、強迫液冷等方式。電力電子設備散熱技術在研發新的散熱技術的同時對已有的散熱方式也在不斷地優化和改進，以充分發揮已有散熱方式的散熱能力。圖 2 為常見散熱方式所對應的熱流密度范圍示意圖。

圖 2 常見散熱方式對應的熱流密度范圍示意圖

3.1 自然對流散熱

自然對流散熱技術以空氣為傳熱介質，利用空氣本身熱脹冷縮產生的浮生力，使散熱器翅片周圍空氣流動，實現熱空氣和冷空氣之間的交換。相比于其他散熱方式，自然對流散熱不需要額外提供能量，結構簡單，運行可靠，基本不需要維護，因此在熱流密度不大的場合應用十分廣泛。由于散熱結構簡單，因此針對自然對流散熱的研究主要以優化散熱器結構及安裝方向為主，近年來以場協同原理為理論支撐的散熱研究開展較多。

3.2 強迫風冷散熱

與自然對流散熱相比，強迫風冷散熱空氣的運動是依靠風扇來提供動力，由于空氣的運動速度大大提高，因此，其散熱能力更強，熱流密度明顯高于自然對流散熱，約為自然風冷的 5 ～ 10 倍。強迫風冷散熱結構的設計研究主要包括熱沉結構參數設計、散熱風扇的選型及流體風道設計等方面，以上三方面設計要使散熱面積、空氣流量和空氣壓降得到平衡，才能使強迫風冷散熱發揮最佳效果。由于強迫風冷散熱效果明顯好于自然風冷，雖然散熱效果不如強制液冷，但其復雜程度、體積、重量和后期維護方面明顯優于液冷，因在能夠在大功率電力電子器件的熱設計中廣泛應用和快速發展。

3.3 強迫液冷散熱

圖 3 所示強迫液冷的典型結構。散熱結構中熱源產生的熱量通過導熱的方式經器件封裝和液冷板，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，最終熱量經換熱器散發到周圍環境中。強迫液冷與強迫風冷相比，通過冷卻液體將熱源處的熱量轉移到換熱器部分，與熱源直接接觸的是液體，由于液體的導熱性明顯高于空氣，因此其散熱效果明顯優于強迫風冷散熱，其散熱能力約為風冷的 6 ～ 10 倍。在液冷散熱中采用導熱性更佳的介質能夠顯著提高散熱效果，王德輝提出了將液態金屬作為冷卻工質應用于電力電子器件散熱系統中的熱展開環節，并通過仿真加實驗的方法驗證了液態金屬應用于大功率電力電子器件液冷散熱的可能性。由于系統中液體的存在，需要考慮到液體的更換和防止液體泄露對器件的損壞等問題，強迫液冷對液體可靠性和管路系統要求較高，且由于系統結構復雜、零部件較多，體積、重量明顯大于風冷散熱，因此對其應用環境有一定限制。

圖 3 強迫液冷散熱典型結構示意圖

3.4 相變散熱

利用材料相變吸熱原理，將熱源發出的熱量轉化為相變潛熱，最終經再次相變釋放到環境中去。按相變介質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在散熱介質中，器件產生的熱量直接傳導給相變介質，介質通過對流和相變將熱量向外界環境傳播，因此在相變介質的選取中需要充分考慮材料的導電性、沸點、流動性等方面因素。間接相變散熱中因相變介質不與器件直接接觸，熱源產生的熱量經熱界面材料、外殼傳導給相變介質，因此對介質的導電性無要求，但整體傳熱效果受熱界面材料和殼體導熱率影響較大。

3.5 熱電冷卻

熱電冷卻是利用半導體材料的帕爾貼效應，即電流流經兩種不同材料界面時，將從外界吸收或放出熱量，近年來隨著半導體材料制造技術 的發展，熱電冷卻方式發展迅速。圖 4 為熱電冷卻的典型結構，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，系統整體的散熱效果與熱端散熱方式密切相關。由于熱電冷卻中熱端仍需采取一定的散熱措施，造成整體散熱系統較為復雜且笨重，對其應用限制較大。

圖 4 熱電冷卻典型結構示意圖

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: 熱管內部飽和液體從高溫側吸收熱量而汽化，飽和蒸汽流動到低溫側放熱并冷凝成液體，經重力或毛細力作用下回流到高溫側繼續參與吸、放熱循環。圖 5 所示為重力熱管的典型結構。熱管散熱雖為被動式散熱，但其具有其他金屬難以比擬的優秀導熱能力，因而具有廣闊的應用前景，近年來各種形式的熱管散熱技術發展迅速。沈晶晶針對超算集群 CPU 研究的重力熱管散熱系統能夠使服務器在滿負荷運行條件下保持 CPU 平均核心溫度在 74 ℃以下，并且能夠顯著降低數據中心的 PUE 值，實現機房的節能減排; Shu在針對大功率半導體激光器的熱設計研究中發現，使用 U 形熱管進行散熱，功率密度可達 367 W/cm2，冷卻效果顯著。

圖 5 重力熱管典型結構示意圖

3.7 微通道散熱

關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 的通道可稱為微通道; 另一種根據浮升力與表面張力的比值來定義。不論何種定義方式，微通道散熱技術憑借其尺寸小、傳熱溫差小和單位面積換熱效率高等突出優點，日益受到研究人員的關注，近年來隨著微通道理論的不斷完善以及加工技術的飛速發展，使得該技術已成為學者們的研究熱點。針對微通道散熱技術的研究主要集中于通道尺寸優化、通道介質的流動和傳熱特性等方面。洪芳軍等提出了一種樹型微通道網絡結構，并通過仿真和實驗的方式驗證了該新型微通到結構與傳統平行微通道相比，在流動壓降、溫度均勻性及熱阻方面的均有明顯優勢; 此外，兩相工質在微通道中的應用研究也在逐漸增多，Chien 等針對兩相流體 Ｒ410A 在微通道中的沸騰換熱展開研究，發現通過工質的相變吸熱能夠顯著提高微通道散熱的熱流密度。

4 結論

本文對現有大功率電力電子器件的散熱研究進行了詳細介紹分析。在解決大功率電力電子器件的散熱問題時，首先要以熱力學理論為基礎，從熱力學基本定律出發; 重視新材料的研發與生產，不論是散熱材料還是熱界面材料，新材料均有著無可比擬的優勢，研發熱性能優越的新材料，并降低生產應用成本，使其能夠廣泛普及，才能夠充分發揮出現有散熱技術的散熱潛力，提高散熱效果。對于新的散熱技術的研究也要繼續深入，現有散熱技術從被動到主動，從自然對流到強迫風冷再到強迫液冷，以及從單相散熱到多相散熱的發展過程中，熱流密度已大幅度增加，新型散熱方式雖然會不可避免的伴隨著整體結構的改變，但其熱流密度的提高是顯著的，對提高設備整體的散熱效果具有重要意義。

文章來源：功率半導體生態圈

審核編輯：湯梓紅