液态金属散热解决方案

大功率I G B T液态金属散热解决方案

能源电力领域，变频器内多颗高功率IGBT密集排列所产生的“局部热点”是大功率变频器散热最为棘手的难题。如图1，多颗高功率IGBT会导致严重的“热量堆叠”效应，不仅造成电子元件温度过高，同时使远离热源的翅片散热器效率低下，甚至失去意义。

图1 多颗IGBT芯片密集排列造成“局部热点”

常规的铝/铜散热器热导率有限，远离“局部热点”的散热翅片温度接近环境温度，效率低下，增加散热面积并不能有效提升散热能力（如图2）。为解决此问题，图1中采用的铝基板中嵌入热管是最为常用的方法。然而，热管是一种被动传热的部件，其传递热量的能力比较有限。在大功率IGBT元件较集中的情况下，需布置非常密集的热管阵列，而且仍然难于解决问题。

图2 高密度“局部热点”导致边缘翅片散热效率低下

为此，由依米康散热技术有限公司提出了基于液态金属的高密度IGBT散热方案，其不仅具有高效的散热能力，同时其承载极限热流的能力要远优于传统热管，为极高密度IGBT散热提供了一种新颖、高效、且低成本的高端解决方案。

基于液态金属的高密度IGBT散热方案

针对图1中典型的高密度IGBT应用案例，建立如下的方案模型。

如图3，四颗IGBT元件均匀分布在铝质散热器左侧，其总发热量为1000W*4块=4000W。单颗IGBT的尺寸为100mm*50mm，散热器基板的尺寸为800mm*250mm*10mm。铝基板边缘和IGBT间的间距为50mm，IGBT之间的间距也为50mm。散热器底部翅片采用强制对流，环境温度20ºC。

图3 基于传统翅片风冷的高密度IGBT方案

图3为最传统的翅片风冷方案，作为对比，图4中提供了目前应用最为广泛的基于嵌入式热管的解决方案。其中，热管直径Φ8，长度700mm（或采用两根350mm烧结热管首尾串联实现），间距10mm，数量11，单根热管的设计最大传热IGBT热源

量为100W。因为热管具有高效的导热能力，因此远离热源的翅片散热效率能够大幅度提升，热源温度能得以有效降低。

图4 基于热管嵌入的高密度IGBT方案

图5中展示了基于液态金属循环的高密度IGBT散热方案。其通过电磁泵驱动三条液态金属循环实现热量由局部高密度热源到整个散热表面的展开。其中，三条液态金属环路产生约70mL/s的液态金属流量，可输运约2000W热量到达远离热源的翅片区域进行散热。

图5 基于液态金属的高密度IGBT方案

液体金属散热性能对比

仿真结果表明，基于传统铝翅片散热器方案的散热器基板温度分布如图6所示。可以看出，传统铝翅片散热器热导率有限，远离“局部热点”的翅片位置温度低，几乎不具有散热能力，此时增加散热面积并不能有效提升散热效果，器

件温度难以降低。

.87.6ºC

图6 传统铝翅片散热器方案的散热器基板温度分布图7为嵌入式热管的散热器基板温度分布图。从中可以看出，因为热管高效的导热能力，散热器基板温度均匀性更加优秀，同时热源处温度更低，最高温度降低了约10ºC。然而，因为热管较为局限的热输运能力，其扩展至远离热源区域的热量仅为1000W左右，大部分热量仍然局限在热源处，“局部热点”问题仍然严重。

.76.0ºC

图7 嵌入式热管的散热器基板温度分布图

图8为基于液态金属的散热器基板温度分布图。从中可以看出，液态金属的流动极大的改善了散热器基板表面的温度分布，热源温度更低，最高温度相对传统翅片风冷约降低了20ºC，且IGBT之间的温度差异性更小。这主要是因为液态金属循环是一种主动式散热方式，具有比热管更加高效的热量输运能力。相对单根热管仅100W的热量输运能力，液态金属管道可达到300~600W的热量输运能力，同时更加稳定可靠。

.66.0ºC

图8 基于液态金属的散热器基板温度分布图

散热方式成本分析

对比上述三种典型的散热方式，传统翅片风冷的成本最低，但其性能最差，且靠进一步增大散热面积并不能有效的提升散热能力，同时散热器的成本重量会大幅度上升。

总结上述针对高密度IGBT的三种散热方式，基于液态金属的散热方案具有如下优点：

（1）散热性能在三种对比方案中最为优秀；

（2）在热流密度进一步提高的情况下，液态金属方案是解决极限热流的最优选择；

（3）液态金属的高电导属性使其可采用无任何运动部件的电磁泵驱动，驱动效率高，能耗低，而且没有任何噪音；

（4）液态金属管道布置灵活，可进行多次弯折，易实现长距离热量传输；

（5）液态金属不易蒸发，不易泄漏，安全无毒，物化性质稳定，是一种非常安全的流动工质，能保证大功率散热系统（>1KW）的高效，长期，稳定运行。

总体而言，依米康液态金属优秀的导热和热量输运能力，液态金属散热技术可为大功率散热需求提供全面而高效的解决方案，其必将在工业界衍生出系列崭新方法、应用和产品，可望在工业、民用，乃至军工领域发挥出巨大的作用。