다중 IGBT 모듈 부착 히트싱크 유로 형상에 따른 냉각 성능 분석

Abstract

본 연구에서는 하나의 히트싱크 위에 여러 개의 절연 게이트 양극성 트랜지스터가 부착된 상태에서 방열 성능과 압력강하를 분석하였다. 이를 위해 유로 형상(병렬형, 사형, 병렬 수직 사형, 병렬 수평 사형)을 설계하고, 전산유체역학(CFD) 해석을 통해 비교하였다. 온도 분석 결과, 병렬형 유로 히트싱크는 심한 온도 불균일성이 확인되었으며, 이는 냉각수 유량 분포의 비대칭성이 문제로 작용하였다. 사형 유로 히트싱크는 균일한 온도 분포를 유지했지만 95.5 kPa의 높은 압력강하를 보였다. 병렬 수직 사형 유로는 냉각수 흐름이 불균일하여 중앙 모듈의 온도가 다른 모듈에 비해 약 10 ℃ 높았다. 반면, 병렬 수평 사형 유로는 온도 차이를 2 ℃ 이하로 최소화하면서 동시에 15.2 kPa 의 낮은 압력 강하를 확보하였다. 추가로 80 ℃를 기준으로 방열 성능을 확인하였을 때 높은 방열 성능 또한 확인하였다. 병렬 수평 사형 유로 히트싱크는 방열 성능과 낮은 압력 강하로 인한 낮은 기생 손실을 만족하는 최적의 냉각 방식으로 제시할 수 있다.

In this study, the thermal dissipation performance and pressure drop of a heat sink with multiple insulated gate bipolar transistors (IGBTs) were analyzed. Four types of flow channel designs, viz., parallel, serpentine, parallel vertical serpentine, and parallel horizontal serpentine, were designed and compared using computational fluid dynamics (CFD) simulations. Temperature analysis revealed that the parallel flow heat sink exhibited significant temperature non-uniformity due to asymmetric coolant flow distribution and that the serpentine flow heat sink maintained a uniform temperature distribution but exhibited a high-pressure drop of 95.5 kPa. The parallel vertical serpentine heat sink showed an uneven cooling effect with a central module temperature ~10°C higher than other modules. In contrast, the parallel horizontal serpentine heat sink minimized temperature differences to within 2°C while achieving a low-pressure drop of 15.2 kPa, and when heat dissipation was evaluated at a reference temperature of 80°C, this heat sink demonstrated superior cooling performance. Based on these results, the parallel horizontal serpentine heat sink is proposed as the optimal cooling solution because it provides efficient heat dissipation and is subject to smaller parasitic losses due to a lower pressure drop.