수치해석을 통한 정현파 형상 유로를 가지는 IGBT 히트싱크의 방열성능 분석

Abstract

본 연구는 전력변환장치에 사용되는 소자인 절연 게이트 양극성 트랜지스터의 열 손실을 효과적으로 방출하는 데에 있다. 기본 직선 유로와 2.5 mm, 5 mm, 7.5 mm, 10 mm의 진폭 수치를 가지는 정현파 형상 유로의 히트싱크를 제작하여 방열 성능을 분석하였다. 각 유로 형상에 대하여 냉각수의 입수 온도를 30 ℃, 40 ℃, 50 ℃, 유량을 4, 8, 12, 16, 20 L/min 으로 해석하여 운전조건에 대한 영향 또한 분석하였다. 전산유체역학을 이용하여 유동해석을 통해 연구를 진행하였으며, ANSYS FLUENT를 사용하여 해석하였다. 정현파 형상 유로를 가지는 히트싱크의 경우, 일반직선 유로를 가지는 히트싱크에 비해서 방열 성능이 17.3 % ~ 23 % 향상되었다. 냉각수의 낮은 입수 온도와 큰 유량은 방열 성능을 개선하였다. 그러나 유량과 정현파 형상의 진폭이 클수록 기생 손실에 영향을 주는 압력 강하 량이 증가하였다. 정현파 유로의 진폭이 커질수록 압력 강하 량이 1.2배에서 2.4배까지 증가하였으며, 각 형상의 방열 효율을 확인하기 위해 압력 강하 량 1 Pa 당 방열량을 계산하여 비교하였다.

This study analyzed the efficient heat loss emission of an insulated gate bipolar transistor as an element used in a power conversion device. The heat sinks of sinusoidal flow paths with different amplitude values were manufactured to analyze their heat dissipation performance. The effect of the operating conditions was assessed by controlling the temperature and the flow rate of the cooling water. This study was conducted by flow analysis using computational fluid dynamics, and the results were analyzed using ANSYS FLUENT. The heat discharge performance of the sinusoidal heat sink was effectively improved. It was higher by 17.3% ~ 23% than that of the heat sink with a straight flow path. Low inlet temperature and large flow rate of cooling water improved heat dissipation performance. However, the large flow rate of the cooling water and the amplitude of the sinusoidal shape affected the higher pressure drop , which induced a parasitic loss at the pump of cooling water. The rise in the amplitude of the sinusoidal channel caused a 1.2 ~ 2.4-fold increase in the pressure drop. The discharged heat per 1 Pa pressure drop was calculated to measure the efficiency of heat dissipation.