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黄山谷捷IEEE：一种双面水冷的IGBT功率器件模组

#液冷

时间：2026年02月11日

来源 | IEEE

链接 | https://doi.org/10.1109/ICEPT47577.2019.245119

电动车 “心脏” 怕高温？这项散热技术成了关键！

当你驾驶电动车穿梭在城市街头，是否想过背后有一个 “隐形功臣” 在默默支撑？它就是电动车转换器的核心 —— 绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块。作为电能转换与传输的 “桥梁”，IGBT 模块性能直接决定了电动车的动力输出与能效，堪称电动车的 “心脏”。

然而，随着电动车向高功率、高集成化方向发展，IGBT 模块的功率损耗也在不断增加，极易导致芯片结温升高。要知道，IGBT 芯片对温度极为敏感，一旦温度超过额定极限，就可能造成不可逆的损坏，不仅会让电动车 “趴窝”，更会威胁到行车安全。因此，为 IGBT 模块设计高效的散热封装结构，成为保障电动车稳定运行的重中之重。

更棘手的是，电动车内部空间有限，电池组占用了大量空间，留给 IGBT 模块的散热空间本就十分紧张；同时，车内复杂的 packaging 结构（封装结构）会进一步阻碍热量传导，加剧局部高温问题。此外，电动车还需兼顾成本控制与轻量化需求，这无疑给 IGBT 模块的热设计又添了一道难题 —— 既要散热效果好，又要体积小、重量轻、成本低，多重约束下，传统散热方案逐渐 “力不从心”。

长期以来，科研界围绕 IGBT 模块的散热展开了大量探索：从精准计算功率损耗、优化散热路径，到设计新型封装结构、改良散热鳍片形状，再到筛选高效冷却液、研发高导热材料…… 每一步突破都在为解决散热难题积蓄力量。而在当下，如何针对电动车高功率 IGBT 模块的特性，找到兼顾散热效率与实用性的方案，成为行业亟待突破的关键课题。

成果掠影

近日，为解决电动车 IGBT 模块 “散热难、易高温” 的核心问题，黄山学院联合黄山谷捷针对高功率 IGBT 模块的双面强制液冷封装结构展开研究。通过建立热传导与冷却液流动的三维耦合模型，结合仿真分析与优化验证，得出三大关键成果：

（1）冷却液流量：并非越大越好，存在 “高效临界点”

通过模拟不同入口流量下的芯片温度与流阻变化，发现流量对散热效果的影响呈 “边际递减” 规律：

·低流量阶段（＜临界值）：流量越大，散热效果越优。当流量从 4L/min 提升至 8L/min 时，芯片最高温度从 143℃降至 132℃，冷却液流速加快、扰动增强，带走热量的效率显著提升；

·高流量阶段（≥临界值）：流量增加仅会大幅提高流阻，却难以改善散热。例如流量从 6L/min 增至 8L/min 时，进出口压差从 58.0kPa 飙升至 100.2kPa，但芯片降温仅 6℃，继续加大流量只会造成能源浪费，因此实际应用中需根据工况选择 “性价比最优” 的流量；

（2）液冷散热存在 “区域差异”，出口芯片易积热

仿真结果显示，双面液冷散热器的散热效果并非均匀：

·温度分布特征：靠近冷却液入口的芯片温度更低，靠近出口的芯片温度更高（以 6L/min 流量为例，出口区域芯片最高温达 137.8℃，虽未超过 150℃的 IGBT 耐受极限，但已显著高于入口区域）；

·核心原因：冷却液从入口（70℃）流向出口的过程中，会持续吸收芯片热量导致自身温度升高，进而削弱对下游芯片的散热能力，形成 “入口优、出口差” 的不均衡现象；

（3）石墨烯薄膜（GBF）可缓解出口高温，高功率场景潜力大

为解决出口芯片局部高温问题在出口附近芯片表面贴合了厚度 40μm、导热系数 1200W/m・K 的石墨烯薄膜，结果显示：

·降温效果：在相同流量条件下，贴合 GBF 后出口芯片最高温降低 1.5℃，虽降幅温和，但已验证其对局部热区的散热优化作用；

·未来潜力：随着 IGBT 模块功率等级提升，热量密度会进一步增加，此时石墨烯的高横向导热性将更充分发挥作用，有望更显著地扩散热源、降低热点温度，成为高功率 IGBT 散热的重要辅助方案；

综上，本研究证实：双面液冷封装能有效降低 IGBT 芯片温度，合理控制流量可平衡散热效率与能耗，而石墨烯薄膜则为缓解局部高温提供了可行路径—— 三者结合，为电动车 IGBT 模块的高效、可靠散热提供了一套更具针对性的解决方案。研究成果以“Heat Dissipation Simulation of Double-sided Liquid-cooled IGBT Module Package” 为题，发表于《IEEE》期刊。

图文导读