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摘要：针对大功率压接式功率器件的散热需求，进行用于其冷却的水冷基板设计与研究。根据压接式功率器件用水冷基板结构特点和技术要求，设计内部冷却流道为螺旋线结构，使用UG软件建立三维模型，应用仿真软件计算得出其温度场分布云图和压力分布云图，并对产品进行热性能试验和压接试验。结果显示，表面研制的水冷基板仿真计算结果与试验结果相近，热阻和流阻参数指标满足技术条件要求，功率模块区域均温性良好，且产品可靠性满足设计及实际运用要求。该研究内容为类似结构水冷基板设计提供参考。
关键词：压接式功率器件;水冷基板;仿真分析;试验
中图分类号：TN322.8 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）103—0235—03
0引言
目前，随着电力系统和电力电子技术的发展，出现了许多采用大功率电力电子器件的设备，其中大功率压接式功率器件得到广泛应用，其具有功率密度大、寄生电感低、双面散热、失效短路等优点，是用于智能电网、轨道交通等高压大功率电压源换流装备的理想器件。因此，专家学者对大功率压接式功率器件进行了大量研究。李辉等对比分析全压接和银烧结封装形式对压接型功率器件的电一热应力的影响，并探究了不同封装形式的功率器件电一热应力存在差异的原因。窦泽春等、肖红秀等对压接式IGBT模块热学特性进行研究，分析了模块结构对热阻的影响，并针对电极铜块面积、电极铜块厚度及钼片厚度等结构参数提出了优化方案。邓二平等基于压接型功率器件的有限元计算模型和特殊的应用工况，研究器件内部各组件加工误差与内部的布局方式对器件内部压力分布的影响。
但现有研究主要集中在压接式功率器件本身，对用于其冷却的水冷基板鲜有研究。功率器件在工作时会产生大量的热量，散热问题直接影响其使用寿命，通过水冷散热方式可以有效带走其热量，另外压接式功率器件对水冷基板表面强度和平面度均有一定要求。
本文基于某项目用水冷基板进行方案设计，并通过仿真计算和试验测试，对研制产品的散热性能和可靠性进行验证。
1设计要求
水冷基板外形尺寸为175mm×175mm×25mm，冷却液进、出水口在水冷基板两侧，在水冷基板正反面各压接一块功率器件，接触面为φ125mm圆形区域，热损耗均为4000W，产品组装时施加压力为90kN，需要通过富士感压纸对板面压力分布进行检测，图1所示为功率器件布置示意图。该水冷基板流动特性参数要求如表1所示。
说明：最大热阻Rmax=（水冷基板板面最高温度Tmax-冷却液入口温度Tin）/热损耗Q。
2模型建立及仿真分析
根据功率模块结构特点及其布局，保证流道尽可能在功率模块正下方，同时水冷基板表面能够承受90 kN压力，采用螺旋线形式的流道设计，双面加工，流道宽度4 mm，流道深度5 mm，保证水冷基板板面温度均匀性。使用UG三维建模软件完成模型建立，如图2所示。
2.1流体仿真分析
应用FloEFD流体仿真软件对模型进行流体动力学分析。首先对模型加载初始条件和边界条件，将水冷基板材质设置为6060铝合金，水冷基板内流体设置为去离子水，入口流量为6L/min，入口温度为50℃，加载损耗共8000w。其次对计算模型进行网格划分，为提高计算精度，对水冷基板内腔做细化网格处理，总数为1086 690。
流体的运动规律遵循物理学三大守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。流体动力学基本方程组就是这三大定律对流体运动的数学描述。对此次分析的水冷基板模型中，单位时间流出的冷却液质量等于流入的质量，也可以说微元控制体内的流体密度不随时间变化，计算中冷却液为不可压缩流体。
水冷基板板面温度分布云图如图3所示，加热板面最高温度为83.36℃，功率模块区域温差小于3℃，均温性良好。通过计算得到仿真分析结果汇总表如表2所示，由表可知，设计的水冷基板热阻为8.34℃/kW，小于9.3℃/kW;流阻为0.039 MPa，小于0.04 MPa，流阻和热阻参数指标均满足技术要求。
2.2强度仿真分析
水冷基板板面压力分布不均匀将影响压接式功率模块安装及其散热效果，基于有限元分析法应用ANSYS软件对水冷基板模型进行强度仿真分析。在水冷基板正反面垂向分别加载90kN应力，通过仿真计算，得到水冷基板表面变形量。水冷基板材质特性如表3所示。
图4所示为强度仿真分布云图，从强度仿真结果可以看出，水冷基板等效应力最大值为28.722 MPa，小于材质的屈服强度，因此水冷基板表面施加压力后属于弹性变形，并且水冷基板表面功率模块安装区域压力分布均匀，说明此水冷基板方案设计满足强度要求。
3试验验证
为了进一步确认产品的设计方案是否满足技术要求，对水冷基板进行样件试制，采用真空钎焊工艺进行焊接，对样件进行热性能试验以及压接试验。
3.1热性能试验
如图5所示，当冷却液流量为6L/min时，在热性能试验台进行热性能试验测试。应用温度传感器读取冷却液进口温度，应用压力传感器读取水冷基板进、出水口的压力值，应用T型热电偶监测水冷基板板面温度进行数据记录。
通过对试验记录数据进行整理和计算，性能试验结果如表4所示。从表中可以看出，水冷基板热阻为7.92℃/kW，小于9.3℃/kW;流阻为0.038 MPa，小于0.04 MPa，并且试验测量结果与仿真计算结果接近，均满足技术要求。
3.2压接试验
通过压接工装，将水冷基板与功率模块压接在一起，在功率模块与水冷基板间放置富士感压纸，施加90kN压力，如图6所示。富士感压纸能够直观显示出功率器件与水冷基板接触面的压力分布情况，压接后的富士感压纸压力分布如图7所示，整个区域分布均匀，说明水冷基板表面状态满足要求。
4結束语
大功率压接式功率器件的应用需求逐渐提高，本文通过仿真计算和试验测试对其冷却用水冷基板的研究得出如下结论：
（1）通过仿真计算结果与试验测试结果对比，说明仿真分析方法和结果可信，应用仿真计算可缩短设计周期和研发成本，有利于水冷基板的工程设计和优化改进;
（2）采用螺旋线结构流道设计的水冷基板散热能力和可靠性满足大功率压接式功率器件的要求，解决了大功率压接式功率器件冷却用水冷基板的研制工作。
关键词：压接式功率器件;水冷基板;仿真分析;试验
中图分类号：TN322.8 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）103—0235—03
0引言
目前，随着电力系统和电力电子技术的发展，出现了许多采用大功率电力电子器件的设备，其中大功率压接式功率器件得到广泛应用，其具有功率密度大、寄生电感低、双面散热、失效短路等优点，是用于智能电网、轨道交通等高压大功率电压源换流装备的理想器件。因此，专家学者对大功率压接式功率器件进行了大量研究。李辉等对比分析全压接和银烧结封装形式对压接型功率器件的电一热应力的影响，并探究了不同封装形式的功率器件电一热应力存在差异的原因。窦泽春等、肖红秀等对压接式IGBT模块热学特性进行研究，分析了模块结构对热阻的影响，并针对电极铜块面积、电极铜块厚度及钼片厚度等结构参数提出了优化方案。邓二平等基于压接型功率器件的有限元计算模型和特殊的应用工况，研究器件内部各组件加工误差与内部的布局方式对器件内部压力分布的影响。
但现有研究主要集中在压接式功率器件本身，对用于其冷却的水冷基板鲜有研究。功率器件在工作时会产生大量的热量，散热问题直接影响其使用寿命，通过水冷散热方式可以有效带走其热量，另外压接式功率器件对水冷基板表面强度和平面度均有一定要求。
本文基于某项目用水冷基板进行方案设计，并通过仿真计算和试验测试，对研制产品的散热性能和可靠性进行验证。
1设计要求
水冷基板外形尺寸为175mm×175mm×25mm，冷却液进、出水口在水冷基板两侧，在水冷基板正反面各压接一块功率器件，接触面为φ125mm圆形区域，热损耗均为4000W，产品组装时施加压力为90kN，需要通过富士感压纸对板面压力分布进行检测，图1所示为功率器件布置示意图。该水冷基板流动特性参数要求如表1所示。
说明：最大热阻Rmax=（水冷基板板面最高温度Tmax-冷却液入口温度Tin）/热损耗Q。
2模型建立及仿真分析
根据功率模块结构特点及其布局，保证流道尽可能在功率模块正下方，同时水冷基板表面能够承受90 kN压力，采用螺旋线形式的流道设计，双面加工，流道宽度4 mm，流道深度5 mm，保证水冷基板板面温度均匀性。使用UG三维建模软件完成模型建立，如图2所示。
2.1流体仿真分析
应用FloEFD流体仿真软件对模型进行流体动力学分析。首先对模型加载初始条件和边界条件，将水冷基板材质设置为6060铝合金，水冷基板内流体设置为去离子水，入口流量为6L/min，入口温度为50℃，加载损耗共8000w。其次对计算模型进行网格划分，为提高计算精度，对水冷基板内腔做细化网格处理，总数为1086 690。
流体的运动规律遵循物理学三大守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。流体动力学基本方程组就是这三大定律对流体运动的数学描述。对此次分析的水冷基板模型中，单位时间流出的冷却液质量等于流入的质量，也可以说微元控制体内的流体密度不随时间变化，计算中冷却液为不可压缩流体。
水冷基板板面温度分布云图如图3所示，加热板面最高温度为83.36℃，功率模块区域温差小于3℃，均温性良好。通过计算得到仿真分析结果汇总表如表2所示，由表可知，设计的水冷基板热阻为8.34℃/kW，小于9.3℃/kW;流阻为0.039 MPa，小于0.04 MPa，流阻和热阻参数指标均满足技术要求。
2.2强度仿真分析
水冷基板板面压力分布不均匀将影响压接式功率模块安装及其散热效果，基于有限元分析法应用ANSYS软件对水冷基板模型进行强度仿真分析。在水冷基板正反面垂向分别加载90kN应力，通过仿真计算，得到水冷基板表面变形量。水冷基板材质特性如表3所示。
图4所示为强度仿真分布云图，从强度仿真结果可以看出，水冷基板等效应力最大值为28.722 MPa，小于材质的屈服强度，因此水冷基板表面施加压力后属于弹性变形，并且水冷基板表面功率模块安装区域压力分布均匀，说明此水冷基板方案设计满足强度要求。
3试验验证
为了进一步确认产品的设计方案是否满足技术要求，对水冷基板进行样件试制，采用真空钎焊工艺进行焊接，对样件进行热性能试验以及压接试验。
3.1热性能试验
如图5所示，当冷却液流量为6L/min时，在热性能试验台进行热性能试验测试。应用温度传感器读取冷却液进口温度，应用压力传感器读取水冷基板进、出水口的压力值，应用T型热电偶监测水冷基板板面温度进行数据记录。
通过对试验记录数据进行整理和计算，性能试验结果如表4所示。从表中可以看出，水冷基板热阻为7.92℃/kW，小于9.3℃/kW;流阻为0.038 MPa，小于0.04 MPa，并且试验测量结果与仿真计算结果接近，均满足技术要求。
3.2压接试验
通过压接工装，将水冷基板与功率模块压接在一起，在功率模块与水冷基板间放置富士感压纸，施加90kN压力，如图6所示。富士感压纸能够直观显示出功率器件与水冷基板接触面的压力分布情况，压接后的富士感压纸压力分布如图7所示，整个区域分布均匀，说明水冷基板表面状态满足要求。
4結束语
大功率压接式功率器件的应用需求逐渐提高，本文通过仿真计算和试验测试对其冷却用水冷基板的研究得出如下结论：
（1）通过仿真计算结果与试验测试结果对比，说明仿真分析方法和结果可信，应用仿真计算可缩短设计周期和研发成本，有利于水冷基板的工程设计和优化改进;
（2）采用螺旋线结构流道设计的水冷基板散热能力和可靠性满足大功率压接式功率器件的要求，解决了大功率压接式功率器件冷却用水冷基板的研制工作。