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，提高模塊的熱擴散能力，并實現模塊熱管理集成，本文對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行了研究。文中介紹了小型徑向平板熱管的工作機理，建立了基于該熱管的集成模塊熱路模型，該集成模塊的穩態和瞬態傳熱實驗結果驗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態和瞬態傳熱特性進行了對比。實驗結果表明，熱管基板的等溫性和蒸發端的高對流換熱系數增強了模塊的熱擴散能力，削弱了模塊的熱集中現象，管芯、DBC和焊料層的熱阻相對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到186W/cm2。集成模塊結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
電力電子集成技術的產生和發展正快速地促進電力電子集成模塊朝著小型化、輕量化、智能化方向發展[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，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，也增加了模塊損耗功率密度，導致集成模塊內的發熱功率管芯的熱集中非常顯著，各個管芯之間的熱影響非常嚴重【4a】。散熱問題已成為制約集成模塊朝著小型化方向發展的主要因素之一。同時，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，綜合優化模塊傳熱性能，并研究開發具有緊湊可靠、靈活高效和免維護的新型散熱方式，實現模塊熱管理的集成，是電力電子集成技術中急需解決的一個問題。
目前，電力電子集成模塊的散熱技術主要有風冷散熱（分自然風冷和強制風冷兩種）、水冷散熱、微通道散熱和熱管散熱[4b]。風冷散熱具有裝置結構簡單、成本低廉等特點，但對于集中發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，但其裝置結構復雜，需要驅動液體循環的水泵和液體冷卻裝置。文獻[6]中對電力電子集成模塊的散熱方式及效率進行了詳細對比。熱管是具有特別高的導熱性能的傳熱元件，它的等溫性和超導熱性可以用來冷卻高熱流密度的發熱源和調節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勢。