? 引言：隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展, 汽車內(nèi)部電子器件越來越多, 其功率密度也逐步增加, 工作溫度也不斷升高。在2016年10月8日德國參議院通過了關(guān)于2030年禁止內(nèi)燃機汽車上路的提案后, 各大企業(yè)和高校紛紛展開對新能源汽車的猛烈研究, 加快新能源汽車的發(fā)展, 特別是大力投入電動汽車的研發(fā)。IGBT作為電動汽車控制控制器的核心模塊, 其功率密度逐步增加, 溫度也逐步增加。為了滿足電動汽車對IGBT器件應(yīng)用的不斷需求, 熱可靠性已經(jīng)成為了IGBT器件的巨大挑戰(zhàn)。故對IGBT器件的散熱性能研究具有重大意義。由于接觸熱阻大約占了壓蓋式IGBT總熱阻的50%, 所以優(yōu)化IGBT的接觸熱阻能極大改善其散熱性能。本文以簡化后IGBT模型為實驗主體, 研究在接觸熱界面涂抹不同導(dǎo)熱硅脂對接觸熱阻的影響, 搭建實驗臺架, 根據(jù)是否涂抹導(dǎo)熱硅脂以及導(dǎo)熱硅脂性能分為三個大工況, 在每個工況下又根據(jù)功率不同, 每個大工況分為四個小工況, 從而進行實驗。
1 理論與模型簡化
1.1 接觸熱阻定義
當(dāng)兩個粗糙表面被接觸時, 實際接觸僅發(fā)生在某些離散點或微接觸處, 而非接觸區(qū)域形成真空或者一些介質(zhì) (例如空氣, 水或油) 填充在內(nèi)。實際接觸面積大約只占理想接觸面積的0.01%-0.1%, 即使在接觸壓力10 MPa下, 該比例僅僅增加到1%-2%。因為實際的接觸面積相對較小, 界面氣體的熱導(dǎo)率也相對微小, 通過界面的熱流經(jīng)歷相對較大的熱阻, 通常稱為接觸熱阻[2]。
1.2 接觸熱阻測量方法的選擇
接觸熱阻的測量方法一般有三種, 一是熱電偶法, 熱電偶是接觸式測量方法, 存在較大干擾, 故精度不高。二是紅外成像系統(tǒng)測量法, 也叫紅外熱像儀, 雖然精度可以達到0.1℃。但只能采集一個二維界面上的溫度。三是光熱法, 光熱法是瞬時過程中廣泛使用的接觸熱阻測量方法。熱接觸電阻是通過熱波和調(diào)制波遇到界面后的相位差獲得的。然而, 由于熱波在接觸界面擴散, 破壞了他們的相位關(guān)系, 所以光熱法的精度受到界面特性的影響, 結(jié)果也不太準(zhǔn)確。本實驗采用紅外成像系統(tǒng)測量法, 通過測量散熱器表面溫度變化來體現(xiàn)接觸熱阻的變化[3]。
1.3 模型簡化
由于實驗受到實驗條件的限制, 無法對一個正在工作中的汽車IGBT工作負(fù)荷進行任意調(diào)動, 以及涂抹不同的導(dǎo)熱硅脂在熱接觸面處, 故需要對其進行模型簡化。由于本文研究側(cè)重點在接觸熱阻, 所以將IGBT的功率模塊簡化為兩個模擬發(fā)熱模塊, 發(fā)熱模塊由加熱電阻和銅片組成, 通過控制加熱電阻上輸入的電流電壓來實現(xiàn)模塊發(fā)熱功率的變化。
2 實驗的建立
本實驗的目的是為了優(yōu)化汽車IGBT的內(nèi)部接觸熱阻, 從而使IGBT工作在靠的溫度范圍內(nèi), 保證其可靠性。故設(shè)計以下實驗, 測量在熱界面處涂抹不同導(dǎo)熱硅脂時散熱器表面溫度, 并用來反應(yīng)其內(nèi)部接觸熱阻的變化, 尋找減少接觸熱阻的方法。
實驗工具如圖1所示主要包括:紅外熱像儀, 其主要作用是拍攝紅外熱像圖, 測量散熱器表面溫度;溫度計, 其作用是測量室內(nèi)環(huán)境溫度, 使實驗控制在22-23℃的室溫條件下;三腳架, 其作用是固定紅外熱像儀的位置, 使每次拍攝時紅外熱像儀保持相同焦距, 減少實驗誤差;直流穩(wěn)壓電源, 為發(fā)熱模塊施加可調(diào)大小的電流和電壓, 為發(fā)熱模塊提供不同的發(fā)熱功率;筆記本電腦, 其作用是讀取紅外熱像圖;數(shù)據(jù)采集卡用于記錄各個工況下散熱器表面溫度。實驗主體是由發(fā)熱模塊, 底部基座, 熱界面材料, 肋板式散熱器組成的模擬IGBT封裝系統(tǒng), 其中圖2系統(tǒng)原理圖。
根據(jù)是否涂抹導(dǎo)熱硅脂以及導(dǎo)熱硅脂的性能將實驗工況分為如下三個大工況:
(1) 涂抹導(dǎo)熱硅脂 (2) 涂抹導(dǎo)熱系數(shù)為1.2W/m·K的導(dǎo)熱硅脂 (型號為國產(chǎn)卡夫特K-5211) (3) 涂抹導(dǎo)熱系數(shù)為6.0 W/m·K的導(dǎo)熱硅脂 (型號為德國Keratherm KP-98) 根據(jù)不同的功率負(fù)荷, 每個工況包含四個不同功率負(fù)荷。發(fā)熱模塊功率分配表如表1。
表1 模擬發(fā)熱模塊功耗分配表
實驗方法是將導(dǎo)熱硅脂均勻涂抹在與熱界面材料接觸的發(fā)熱模塊上表面以及散熱器底面, 如圖2所示, 然后將穩(wěn)壓直流電源調(diào)試到表2的相應(yīng)功率負(fù)荷, 對發(fā)熱模塊進行加熱至穩(wěn)態(tài), 即散熱器表面溫度不在變化。并用紅外熱像儀拍攝散熱器表面的溫度分布圖。重復(fù)以上步驟, 直至所有工況實驗做完。
3 實驗結(jié)果及分析
根據(jù)實驗步驟和要求, 完成實驗后得到了各個工況負(fù)荷下散熱器表面的最高溫度, 平均溫度如表3所示, abc分別代表不涂抹導(dǎo)熱硅脂、涂抹導(dǎo)熱系數(shù)為1.2W/m·K的導(dǎo)熱硅脂和涂抹導(dǎo)熱系數(shù)為6.0 W/m·K的導(dǎo)熱硅脂的三種工況。
由圖3可以看出, 在熱接觸面涂抹導(dǎo)熱硅脂后, 散熱器表面溫度增加, 最大增加幅度約11.39%, 這說明涂抹導(dǎo)熱硅脂能有效的降低接觸面的熱阻, 將熱量從IGBT內(nèi)部帶到散熱器表面。在低功率負(fù)荷功率時, 溫度上升不明顯。在高功率負(fù)荷下溫度上升明顯, 其散熱效果也就更好。
圖3 涂抹不同導(dǎo)熱硅脂對散熱器表面平均溫度的影響
4 結(jié)論
給熱接觸面涂抹導(dǎo)熱硅脂以后, 散熱器表面最高溫度和平均溫度均有明顯的升高, 接觸面的接觸熱阻下降也十分明顯。這是由于導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)遠遠大于空氣的導(dǎo)熱系數(shù), 可以迅速將熱量從IGBT內(nèi)部帶出。
涂抹導(dǎo)熱系數(shù)較高的導(dǎo)熱硅脂比導(dǎo)熱系數(shù)一般的導(dǎo)熱硅脂的效果好, 在采用涂抹導(dǎo)熱硅脂來降低接觸熱阻時, 應(yīng)該選擇導(dǎo)熱系數(shù)較高的導(dǎo)熱硅脂。
本次實驗中涂抹導(dǎo)熱硅脂后, 散熱器表面的溫度升高, 其主要原因是涂抹導(dǎo)熱硅脂后, 接觸熱阻降低, 大量熱量就帶到了散熱器, 實驗是在整個裝置自然冷卻的條件下進行的, 散熱器表面熱量沒及時傳導(dǎo)到空氣中, 故散熱器表面溫度升高。