【摘要】 随着电力电子技术的飞速发展,功率器件的散热问题日益突出。作为典型的大功率电子模块IGBT,具有与其他大功率电子元器件相似的热设计要求,本文针对动态无功补偿系统中应用的IGBT模块,在查阅大量相关文献的基础上,依据国家有关标准与试验要求,应用大型通用有限元分析软件ANSYS并利用不可压缩粘性流体的控制方程和标准K—ε模型,采用数值模拟方法对不同结构的散热器的流场、温度场进行了深入研究,分析了不同参数对散热器性能的影响,为散热结构的优化设计提供了理论依据。该方法具有方便、可视化的特点。研究结果表明:水冷散热器完全可以满足散热要求,是解决大功率电子模块散热的有效途径。同时运用有限元仿真技术不仅可以对试验进行理论预测,甚至可以替代部分试验,实现产品的动态优化设计。

【关键词】 功率器件； 散热器； 有限元； 流场； 温度场；





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第一章 绪论 6-10
    1.1 课题意义 6-7
    1.2 国内外研究情况 7-8
    1.3 主要研究内容 8-9
    1.4 研究方法 9-10
第二章 功率器件及设备结构热设计与数值模拟的有关理论 10-23
    2.1 功率器件及设备结构热设计的理论基础 10-16
        2.1.1 功率器件及设备结构的传热方式 10-12
        2.1.2 功率器件及设备结构热设计的要求和准则 12-13
        2.1.3 热控制方法 13-16
    2.2 功率器件及设备结构传热问题中的有限元方法 16-23
        2.2.1 固体导热的有限元方法 16-19
        2.2.2 流体传热的有限元方法 19-23
第三章 功率器件及设备结构的热设计方法 23-29
    3.1 温度对功率器件 IGBT 性能的影响 23-25
    3.2 表征功率器件热性能的主要参数 25
    3.3 功率器件耗散功率的确定 25-26
    3.4 功率器件的热设计 26-29
        3.4.1 功率器件热控制方法的选择 26-27
        3.4.2 功率器件散热器的合理配置 27-29
第四章 功率器件及设备结构流场与温度场的数值仿真研究 29-46
    4.1 数值仿真软件简介及其在热设计中的应用 29-31
        4.1.1 有限元分析软件概述 29-30
        4.1.2 ANSYS 在热设计中的应用 30-31
    4.2 功率器件及设备结构流场的数值仿真 31-35
        4.2.1 散热器内腔三维流场的数值仿真 31-34
        4.2.2 仿真计算结果分析及结论 34-35
    4.3 功率器件及设备结构流场温度场耦合的数值仿真 35-45
        4.3.1 实体模型的建立 35-36
        4.3.2 网格的划分 36-37
        4.3.3 边界条件的确定 37-38
        4.3.4 数值仿真过程 38-39
        4.3.5 仿真计算结果及分析 39-42
        4.3.6 热平衡的验证 42-43
        4.3.7 柱体叉排布置的仿真简述 43-45
    4.4 本章小结 45-46
第五章 影响散热器性能的因素研究 46-53
    5.1 冷却水流量(入口速度)变化的影响 46-48
    5.2 散热器内腔柱体分布方式的影响 48
    5.3 散热器壁面厚度的影响 48-52
    5.4 本章小结 52-53
第六章 结论和展望 53-55
    6.1 结论分析 53-54
    6.2 建议与展望 54-55
参考文献 55-57
致谢 57-58
在学期间发表的学术论文和参加科研情况 58