電力電子集成模塊用平板型熱管基板的傳熱特性:摘要：為了解決集成模塊中面臨的熱集中和熱影響問題，提高模塊的熱擴(kuò)散能力，并實(shí)現(xiàn)模塊熱管理集成，本文對(duì)基于新型垂直傳熱平板熱管的電力電子集成模塊的傳熱特性進(jìn)行了研究。文中介紹了小型徑向平板熱管的工作機(jī)理，建立了基于該熱管的集成模塊熱路模型，該集成模塊的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)傳熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該模型的有效性。并且，將該熱管基板模塊與純銅基板和空氣填充熱管基板模塊在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)傳熱特性進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱管基板的等溫性和蒸發(fā)端的高對(duì)流換熱系數(shù)增強(qiáng)了模塊的熱擴(kuò)散能力，削弱了模塊的熱集中現(xiàn)象，管芯、DBC和焊料層的熱阻相對(duì)于銅基板集成模塊減小30％，并且在正反放置的情況下熱管具有相同的高效散熱能力，IGBT管芯的最大熱流密度達(dá)到186W/cm2。集成模塊結(jié)殼熱阻隨著熱流密度的提高而減小，提高了集成模塊的抗熱沖擊性能。
關(guān)鍵詞：電力電子集成模塊；小型徑向平板熱管；傳熱特性；熱路模型
1? 引言
電力電子集成技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展正快速地促進(jìn)電力電子集成模塊朝著小型化、輕量化、智能化方向發(fā)展[1-3]。集成模塊的小型化不僅能夠減少耗材、減輕重量、增加功率密度和降低成本，而且能夠提高功率器件的封裝密度，減小由封裝引起的寄生電感、電容和電阻參數(shù)，從而改善和提高集成模塊的電氣性能。然而，集成模塊的小型化在增加模塊功率密度的同時(shí)，也增加了模塊損耗功率密度，導(dǎo)致集成模塊內(nèi)的發(fā)熱功率管芯的熱集中非常顯著，各個(gè)管芯之間的熱影響非常嚴(yán)重【4a】。散熱問題已成為制約集成模塊朝著小型化方向發(fā)展的主要因素之一。同時(shí)，研究[5]表明電力電子集成模塊的失效有近55％是由于高溫引起的。因此，綜合優(yōu)化模塊傳熱性能，并研究開發(fā)具有緊湊可靠、靈活高效和免維護(hù)的新型散熱方式，實(shí)現(xiàn)模塊熱管理的集成，是電力電子集成技術(shù)中急需解決的一個(gè)問題。
目前，電力電子集成模塊的散熱技術(shù)主要有風(fēng)冷散熱（分自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷兩種）、水冷散熱、微通道散熱和熱管散熱[4b]。風(fēng)冷散熱具有裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等特點(diǎn)，但對(duì)于集中發(fā)熱源存在著溫度場集中、翅片散熱效率不高等問題；水冷散熱和微通道散熱雖然散熱效率高，但其裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要驅(qū)動(dòng)液體循環(huán)的水泵和液體冷卻裝置。文獻(xiàn)[6]中對(duì)電力電子集成模塊的散熱方式及效率進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。熱管是具有特別高的導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它的等溫性和超導(dǎo)熱性可以用來冷卻高熱流密度的發(fā)熱源和調(diào)節(jié)傳熱路徑的熱流密度[7]。因此，熱管在解決集成模塊中的熱集中和熱影響問題具有非常明顯的優(yōu)勢。