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基于NSGA-II优化的流形微通道散热器在SiC功率模块中实现更优散热与热均匀性
An NSGA-II Optimized Manifold Microchannel Heat Sink With Better Heat Dissipation and Superior Thermal Uniformity for SiC Power Modules
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 功率模块 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅功率模块 热管理 微通道散热器 优化方法 热性能 |
语言:
中文摘要
由于碳化硅(SiC)裸片性能优越,碳化硅功率模块是可再生能源和电动汽车领域的理想选择。然而,高热通量和热均匀性差等热管理问题已被视为碳化硅功率模块在实际应用中性能提升的主要制约因素。为应对这些挑战,本文提出了一种基于带精英策略的非支配排序遗传算法和有限元分析的歧管式微通道(MMC)散热器自动化优化方法。通过专用热测试平台,将优化后的歧管式微通道散热器应用于三相碳化硅功率模块进行热性能评估。实验结果表明,与传统针翅式散热器相比,优化后的歧管式微通道散热器使热均匀性提高了55.6%,碳化硅功率模块的最大结 - 液热阻降低了9.2%,同时使带冷板的碳化硅功率模块总重量减轻了8.7%。
English Abstract
Silicon carbide (SiC) power modules are a favorable option for renewable energy and electric vehicles, thanks to the superior performance of SiC bare dies. However, thermal management issues, such as high heat flux and poor thermal uniformity, have been identified as major constraints on the performance improvement of SiC power modules in practical applications. To address these challenges, this article proposes an automated optimization methodology based on the nondominated sorting genetic algorithm with an elite strategy and finite-element analysis for the manifold microchannel (MMC) heat sink. The optimized MMC heat sink is fabricated on a three-phase SiC power module for a thermal performance evaluation through a dedicated thermal test platform. Experimental results show that the optimized MMC heat sink improves the thermal uniformity by 55.6%, reduces the maximum junction-to-fluid thermal resistance of the SiC power module by 9.2% in comparison to the traditional pin-fin heat sink, and simultaneously decreases the total weight of the SiC power module with a cold plate by 8.7%.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于NSGA-II算法优化的歧管微通道散热技术具有重要的战略价值。作为全球领先的光伏逆变器和储能系统供应商,我们的产品正面临功率密度提升与热管理的双重挑战,而SiC功率模块的广泛应用使得这一矛盾更加突出。
该技术的核心价值体现在三个维度:首先,55.6%的热均匀性改善可显著降低功率模块内部的温度梯度,这对延长IGBT和二极管的使用寿命、提高系统可靠性至关重要,直接契合我们1500V大功率逆变器和储能变流器的长期稳定运行需求。其次,9.2%的热阻降低意味着在相同散热条件下可承载更高功率输出,为我们开发更高功率密度的组串式和集中式逆变器提供了技术支撑。第三,8.7%的重量减轻对户用储能系统和电动汽车充电桩等对体积重量敏感的应用场景具有明显优势。
从技术成熟度评估,该方案已完成实物验证,但工业化应用仍需关注微通道加工成本、长期运行中的流道堵塞风险以及与现有生产线的兼容性。对于阳光电源而言,建议优先在高端储能变流器和新能源汽车电驱系统等高附加值产品线进行试点应用,同时评估与我们现有液冷技术平台的集成可行性。这项技术与我们正在推进的模块化热管理系统战略高度契合,可作为下一代产品差异化竞争的重要技术储备,特别是在极端工况和高可靠性要求的应用场景中具有显著的市场竞争优势。