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.