2024年6月15日发(作者：庹以轩)
工业与信息化
TECHNOLOGY AND INFORMATION
不同流道的水冷散热器结构对比分析
金传山 李振升
阳光电源股份有限公司 安徽 合肥 230000
*
摘 要 水冷散热器在高功率发热设备中应用广泛且技术成熟，其内部流道结构形式直接影响散热性能及IGBT的运
行安全。本文分析了变流器中IGBT与水冷散热器之间的散热过程并总结影响散热的各种因素；梳理了行业内常见的
流道结构形式、制作工艺及各自的特点，得到目前提高水冷散热器的散热效率主要从提高散热面积A入手。本文梳
理的将为更高散热效率的流道结构优化及设计提供参考。
关键词 水冷散热器；流道；散热；变流器
前言
随着电力电子的技术不断进步，风能变流器向着高度集
成化，大功率方向发展
[1-2]
。单位体积的功率及热流密度越来
越高，这对变流器的散热能力越来越严苛，常规的强迫风冷已
无法解决过温问题，且有研究表明，电子器件工作的温度达到
70℃~80℃时，当温度上升1℃，其可靠性降低5%
[3]
。因而2MW
以上功率的变流器需要具备水冷散热。
变流器内部的核心发热元件为IGBT，其主要依靠液冷板
型水冷散热器进行散热。液冷板散热性能的优良取决于内部流
道的设计，针对IGBT的热耗特性，目前市场上设计了各种类型
的内部流道结构。本文在散热效果，使用优缺点等方面进行阐
述，为设计散热系统时选择液冷板散热器和设计液冷板内部流
道提供参考。
1 散热过程分析
热的传递方式有三种，辐射、传导、对流。IGBT与水冷散
热器的布置方式如图所示，水冷散热器与IGBT之间通过热传导
方式传热，IGBT散热器好坏取决于水冷散热器热量带载能力水
冷散热器与IGBT之间是通过热传导方式进行传热，热能传递至
水冷散热器后，冷却液流过水冷散热器的内部流道，以对流方
式将散热器的热量带走，从而达到散热目的。
却液之间热能传递的热流量
Q
2
，由牛顿冷却定律可知：
（2）
其中
Q
2
为冷却液与散热器之间的热流量，W；
h
为对流换
热系数，W/m
2
·℃；
A
为冷却液流过散热器接触到的散热面积，
m
2
；是指散热器的壁面温度，℃；是指冷却液温度，℃。
变流器的水冷散热系统为闭式系统，在设计该系统散热能
力时，其依据是整个系统的发热功耗，再根据式（1）估算冷却
介质流量
q
；其中
一般为5℃，
C
与
ρ
与冷却介质有关，一般是
乙二醇水溶液。确定流量后，也就确定了散热系统的整体散热
能力，但如何确保进出口温度能达到温差
，则需要保证冷却
介质与水冷散热器之间的热流量
Q
2
，通过式（2）可知，提高冷
却介质与散热器之间的换热效率，可以通过提高换热系数以及
接触面积，温度差
是结果决定的；换热系数的影响因
素较多，如材料，冷却介质等；通常利用增加散热面积A；增
加流道内部的扰动，以降低热阻，从而提高对流换热系数，最
终得到最优的散热效果。
2 典型流道的结构对比
水冷散热器的结构多种多样，其分类标准也尚未统一。例
如，若以流道布置为标准，则可分为串联结构及并联结构；若
以排列方式又可分为顺排和插排翅片结构
[4]
。本文针对变流器
行业中常用的几种流道结构进行介绍，为设计人员在流道设计
提高参考。
2.1 钻孔式
钻孔式水冷散热器的内部截面结构如图2所示，其流道结
构为直通的圆形流道，各支路为典型的并联结构，冷却介质从
一侧进入，另一侧流出。流道结构简单，加工简易，对器件安
装要求低，且两侧均可安装器件；但该类结构尺寸受到限制，
相交的流道只能是直角，局部流阻大，截面形式单一，热阻相
对较大，而且密封难度高。
从式（2）可以看出，该类流道结构的优化，需要根据实
际应用中的发热功率，从圆形流道的直径以及并联的数量入
手， 得到最优化的h和A，从而提高散热效率。鉴于生产成本
低，结构简单等特点，在较小功率的产品中可以应用。
2.2 嵌管式
嵌管式散热器，是一根铜管来回弯折嵌入在散热器器件安
装面上，冷却介质从铜管一段流进，另一端流出。这种流道结
构的散热器，结构成本低，工艺简单，压接管耐腐蚀寿命长。
但该种流道热阻较大，转弯半径大，压损也因此增加，从而导
致性能较低。器件安装收到铜管布置的影响。仅能应用在低发
热功耗的设备中。 在铝板中铣出凹槽，放置翅片，再将铝板焊
图1 IGBT与水冷散热器
以IGBT和水冷散热器组合的系统进行分析，当温升稳定
时，忽略系统对空气少量的对流及辐射热量，单位时间内冷却
介质带走的热能应当等于IGBT发出的热能。通过能量守恒定律
和热力学定律，可以得到以下简式：
（1）
其中：
Q
1
为单位时间的发热功耗，J；C为冷却液比热容，J/
（kg·℃）；
q
为冷却液流量m
3
/s；
ρ
冷却液密度，kg/m
3
；为冷
却液进出口温度差，℃。
上述中
Q
1
为单位时间的发热功耗，也即是水冷散热器与冷
*[基金项目] 名称：“海水抽水蓄能电站前瞻技术研究”课题，来源：科技部国家重点研发计划，编号：2017YFB0903704。
82
科学与信息化2021年3月中
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工业与信息化
面积A；提高流体扰动，增加换热系数h，从而得到最优的换热
效率。由于换热效率高，堵塞风险小，设计灵活，在高功率变
流器散热系统中，也在大量应用；
通过上述目前市场常用的散热器流道结构分析可知，目
前主要从换热面积入手，设计出较优的流道结构。为了应对热
流密度越来越高的发展趋势，目前研究学者研究了更多前沿性
的特殊流道结构，如将上述流道相结合的流道形式，以及微通
道、直接接触式流道等
3 结束语
本文基于变流器中的IGBT水冷散热器散热过程，分析了该
过程中对散热效果的影响因素，认为水冷散热器的内部流道结
构对散热效果影响较大；而且分析了目前市场常见各种流道结
构形式，对各种流道结构的特点及应用场合进行了分析，随着
热流密度越来越高的趋势，具有散热效率更高的水冷散热器应
用更加广泛。
参考文献
[1] 冯江华.风能变流器的技术现状与发展[J].大功率变流技
术,2013(3):5-11.
[2] 陈燕平,蒋云富,忻兰苑.风能变流器功率组件技术及发展趋势[J].
大功率变流技术,2017(6):1-9.
接密封，流道的入口与出口依据实际需要设计在四周即可；翅
片的位置位于发热器件的正下方。该结构的由于在流道中间增
加了翅片结构，大大增加了冷却介质与翅片之间的热交换传热
面。根据式（2）可知，翅片结构的加入，增加了流体的扰动，
从而增加的对流换热系数h；且由翅片结构的特点可知，增加该
结构后，换热面积A大幅度增加，相比前面叙述的流道，增加
幅度达到十几倍甚至几十倍。虽然增加系统阻力但由于优异的
散热效果，此种流道类型的散热器大量应用在风能变流器的散
热系统中。
2.3 铣槽式
图2 扩展式和铣槽式散热器
[3] 黄道军.IGBT模块集成微流道散热的仿真及优化[D].成都:西南
交通大学,2013.
[4] 吉瑜.圆柱扰流型水冷散热器流动与传热性能模拟[D].重庆:重庆
大学,2016.
铣槽式散热器如图2所示，流道是在铝板上铣出凹槽形成
流道，流道的样式灵活多变，可以根据器件实际散热的分布，
设计出合理的流道，平衡流阻和热阻。该类型流道，通过改变
流道的直径以及密集程度，流道的转向角度等，可以增大换热
（上接第81页）
车顶母材选用：6005A-T6中等强度的Al-Mg-Si系铝合金材
料，材料厚度3mm，按照TB/T3259动车组用铝及铝合金焊接技
术条件中7.6条款要求板厚大于等于8mm时宜进行预热，所以铝
合金车顶在温湿度正常条件下不进行预热；
焊接后车顶轮廓度、挠度需要调修处理；调修考虑机械方
中空
铝型材
铝合金材质
6005A
调质处理
T6
法或加热方法对其进行矫正；最终考虑到车顶规格尺寸较大，
外界施加压力难度较大且车顶型材壁厚较薄；外界施加压力，
车顶型材表面易产生压痕和凹陷；且在外界不施加外力的情况
下，可通过火焰加热的方法使车顶矫正至符合设计要求
[5]
。
火焰加热的温度、时间见下表：
温度监控工具
测温笔和点温计
备 注
可保持母材的80%以上的强度。
加热温度范围
点热急冷时间
250℃以下2min
6 结束语
车顶模块化生产，焊接变形控制通过多个产品生产试制过
程中摸索出的经验，听过反变形控制，选择最合适的工艺参数；
焊接参数通过验证制作WPQR、PWPS、WPS进行验证，
最终摸索出可靠的，能够形成批量生产的一套生产焊接参数；
调修通过火焰加热水冷的方式，通过热胀冷缩的原理，矫
正车顶的弧度和挠度及弦高；以达到最终交付的状态；
成功地开发，跨坐式单轨车项目已成功交付于各大国内外
项目，如芜湖单轨、泰国黄粉线、埃及开罗等等，车顶成功的
开发提升了团队的经验，并将经验传递至APM车、地铁项目车
顶等等。
参考文献
[1] 王炎金.铝合金车体焊接工艺(第2版)[M].北京:机械工业出版
社,2011:215.
[2] 邢艳双,张志强,赵秦亿,等.6082-T6/6005A-T6异种铝合金MIG焊
接头的组织与性能[J].轻合金加工技术,2018(7):62-68.
[3] 田玉吉,程春磊,叶京星,等.高速动车组车顶制造工艺研究[J].轨
道交通装备与技术,2017(5):1-4.
[4] 杨成功,单际国,熊伟.车辆用6005A铝合金焊接技术研究现状[J].
焊接,2009(10):13-18.
[5] 麻昊,余敏,陈辉,等.火焰矫形铝合金车体研究现状[J].热加工工
艺,2016(17):5-8.
科学与信息化2021年3月中
83
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2024年6月15日发(作者：庹以轩)
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不同流道的水冷散热器结构对比分析
金传山 李振升
阳光电源股份有限公司 安徽 合肥 230000
*
摘 要 水冷散热器在高功率发热设备中应用广泛且技术成熟，其内部流道结构形式直接影响散热性能及IGBT的运
行安全。本文分析了变流器中IGBT与水冷散热器之间的散热过程并总结影响散热的各种因素；梳理了行业内常见的
流道结构形式、制作工艺及各自的特点，得到目前提高水冷散热器的散热效率主要从提高散热面积A入手。本文梳
理的将为更高散热效率的流道结构优化及设计提供参考。
关键词 水冷散热器；流道；散热；变流器
前言
随着电力电子的技术不断进步，风能变流器向着高度集
成化，大功率方向发展
[1-2]
。单位体积的功率及热流密度越来
越高，这对变流器的散热能力越来越严苛，常规的强迫风冷已
无法解决过温问题，且有研究表明，电子器件工作的温度达到
70℃~80℃时，当温度上升1℃，其可靠性降低5%
[3]
。因而2MW
以上功率的变流器需要具备水冷散热。
变流器内部的核心发热元件为IGBT，其主要依靠液冷板
型水冷散热器进行散热。液冷板散热性能的优良取决于内部流
道的设计，针对IGBT的热耗特性，目前市场上设计了各种类型
的内部流道结构。本文在散热效果，使用优缺点等方面进行阐
述，为设计散热系统时选择液冷板散热器和设计液冷板内部流
道提供参考。
1 散热过程分析
热的传递方式有三种，辐射、传导、对流。IGBT与水冷散
热器的布置方式如图所示，水冷散热器与IGBT之间通过热传导
方式传热，IGBT散热器好坏取决于水冷散热器热量带载能力水
冷散热器与IGBT之间是通过热传导方式进行传热，热能传递至
水冷散热器后，冷却液流过水冷散热器的内部流道，以对流方
式将散热器的热量带走，从而达到散热目的。
却液之间热能传递的热流量
Q
2
，由牛顿冷却定律可知：
（2）
其中
Q
2
为冷却液与散热器之间的热流量，W；
h
为对流换
热系数，W/m
2
·℃；
A
为冷却液流过散热器接触到的散热面积，
m
2
；是指散热器的壁面温度，℃；是指冷却液温度，℃。
变流器的水冷散热系统为闭式系统，在设计该系统散热能
力时，其依据是整个系统的发热功耗，再根据式（1）估算冷却
介质流量
q
；其中
一般为5℃，
C
与
ρ
与冷却介质有关，一般是
乙二醇水溶液。确定流量后，也就确定了散热系统的整体散热
能力，但如何确保进出口温度能达到温差
，则需要保证冷却
介质与水冷散热器之间的热流量
Q
2
，通过式（2）可知，提高冷
却介质与散热器之间的换热效率，可以通过提高换热系数以及
接触面积，温度差
是结果决定的；换热系数的影响因
素较多，如材料，冷却介质等；通常利用增加散热面积A；增
加流道内部的扰动，以降低热阻，从而提高对流换热系数，最
终得到最优的散热效果。
2 典型流道的结构对比
水冷散热器的结构多种多样，其分类标准也尚未统一。例
如，若以流道布置为标准，则可分为串联结构及并联结构；若
以排列方式又可分为顺排和插排翅片结构
[4]
。本文针对变流器
行业中常用的几种流道结构进行介绍，为设计人员在流道设计
提高参考。
2.1 钻孔式
钻孔式水冷散热器的内部截面结构如图2所示，其流道结
构为直通的圆形流道，各支路为典型的并联结构，冷却介质从
一侧进入，另一侧流出。流道结构简单，加工简易，对器件安
装要求低，且两侧均可安装器件；但该类结构尺寸受到限制，
相交的流道只能是直角，局部流阻大，截面形式单一，热阻相
对较大，而且密封难度高。
从式（2）可以看出，该类流道结构的优化，需要根据实
际应用中的发热功率，从圆形流道的直径以及并联的数量入
手， 得到最优化的h和A，从而提高散热效率。鉴于生产成本
低，结构简单等特点，在较小功率的产品中可以应用。
2.2 嵌管式
嵌管式散热器，是一根铜管来回弯折嵌入在散热器器件安
装面上，冷却介质从铜管一段流进，另一端流出。这种流道结
构的散热器，结构成本低，工艺简单，压接管耐腐蚀寿命长。
但该种流道热阻较大，转弯半径大，压损也因此增加，从而导
致性能较低。器件安装收到铜管布置的影响。仅能应用在低发
热功耗的设备中。 在铝板中铣出凹槽，放置翅片，再将铝板焊
图1 IGBT与水冷散热器
以IGBT和水冷散热器组合的系统进行分析，当温升稳定
时，忽略系统对空气少量的对流及辐射热量，单位时间内冷却
介质带走的热能应当等于IGBT发出的热能。通过能量守恒定律
和热力学定律，可以得到以下简式：
（1）
其中：
Q
1
为单位时间的发热功耗，J；C为冷却液比热容，J/
（kg·℃）；
q
为冷却液流量m
3
/s；
ρ
冷却液密度，kg/m
3
；为冷
却液进出口温度差，℃。
上述中
Q
1
为单位时间的发热功耗，也即是水冷散热器与冷
*[基金项目] 名称：“海水抽水蓄能电站前瞻技术研究”课题，来源：科技部国家重点研发计划，编号：2017YFB0903704。
82
科学与信息化2021年3月中
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工业与信息化
面积A；提高流体扰动，增加换热系数h，从而得到最优的换热
效率。由于换热效率高，堵塞风险小，设计灵活，在高功率变
流器散热系统中，也在大量应用；
通过上述目前市场常用的散热器流道结构分析可知，目
前主要从换热面积入手，设计出较优的流道结构。为了应对热
流密度越来越高的发展趋势，目前研究学者研究了更多前沿性
的特殊流道结构，如将上述流道相结合的流道形式，以及微通
道、直接接触式流道等
3 结束语
本文基于变流器中的IGBT水冷散热器散热过程，分析了该
过程中对散热效果的影响因素，认为水冷散热器的内部流道结
构对散热效果影响较大；而且分析了目前市场常见各种流道结
构形式，对各种流道结构的特点及应用场合进行了分析，随着
热流密度越来越高的趋势，具有散热效率更高的水冷散热器应
用更加广泛。
参考文献
[1] 冯江华.风能变流器的技术现状与发展[J].大功率变流技
术,2013(3):5-11.
[2] 陈燕平,蒋云富,忻兰苑.风能变流器功率组件技术及发展趋势[J].
大功率变流技术,2017(6):1-9.
接密封，流道的入口与出口依据实际需要设计在四周即可；翅
片的位置位于发热器件的正下方。该结构的由于在流道中间增
加了翅片结构，大大增加了冷却介质与翅片之间的热交换传热
面。根据式（2）可知，翅片结构的加入，增加了流体的扰动，
从而增加的对流换热系数h；且由翅片结构的特点可知，增加该
结构后，换热面积A大幅度增加，相比前面叙述的流道，增加
幅度达到十几倍甚至几十倍。虽然增加系统阻力但由于优异的
散热效果，此种流道类型的散热器大量应用在风能变流器的散
热系统中。
2.3 铣槽式
图2 扩展式和铣槽式散热器
[3] 黄道军.IGBT模块集成微流道散热的仿真及优化[D].成都:西南
交通大学,2013.
[4] 吉瑜.圆柱扰流型水冷散热器流动与传热性能模拟[D].重庆:重庆
大学,2016.
铣槽式散热器如图2所示，流道是在铝板上铣出凹槽形成
流道，流道的样式灵活多变，可以根据器件实际散热的分布，
设计出合理的流道，平衡流阻和热阻。该类型流道，通过改变
流道的直径以及密集程度，流道的转向角度等，可以增大换热
（上接第81页）
车顶母材选用：6005A-T6中等强度的Al-Mg-Si系铝合金材
料，材料厚度3mm，按照TB/T3259动车组用铝及铝合金焊接技
术条件中7.6条款要求板厚大于等于8mm时宜进行预热，所以铝
合金车顶在温湿度正常条件下不进行预热；
焊接后车顶轮廓度、挠度需要调修处理；调修考虑机械方
中空
铝型材
铝合金材质
6005A
调质处理
T6
法或加热方法对其进行矫正；最终考虑到车顶规格尺寸较大，
外界施加压力难度较大且车顶型材壁厚较薄；外界施加压力，
车顶型材表面易产生压痕和凹陷；且在外界不施加外力的情况
下，可通过火焰加热的方法使车顶矫正至符合设计要求
[5]
。
火焰加热的温度、时间见下表：
温度监控工具
测温笔和点温计
备 注
可保持母材的80%以上的强度。
加热温度范围
点热急冷时间
250℃以下2min
6 结束语
车顶模块化生产，焊接变形控制通过多个产品生产试制过
程中摸索出的经验，听过反变形控制，选择最合适的工艺参数；
焊接参数通过验证制作WPQR、PWPS、WPS进行验证，
最终摸索出可靠的，能够形成批量生产的一套生产焊接参数；
调修通过火焰加热水冷的方式，通过热胀冷缩的原理，矫
正车顶的弧度和挠度及弦高；以达到最终交付的状态；
成功地开发，跨坐式单轨车项目已成功交付于各大国内外
项目，如芜湖单轨、泰国黄粉线、埃及开罗等等，车顶成功的
开发提升了团队的经验，并将经验传递至APM车、地铁项目车
顶等等。
参考文献
[1] 王炎金.铝合金车体焊接工艺(第2版)[M].北京:机械工业出版
社,2011:215.
[2] 邢艳双,张志强,赵秦亿,等.6082-T6/6005A-T6异种铝合金MIG焊
接头的组织与性能[J].轻合金加工技术,2018(7):62-68.
[3] 田玉吉,程春磊,叶京星,等.高速动车组车顶制造工艺研究[J].轨
道交通装备与技术,2017(5):1-4.
[4] 杨成功,单际国,熊伟.车辆用6005A铝合金焊接技术研究现状[J].
焊接,2009(10):13-18.
[5] 麻昊,余敏,陈辉,等.火焰矫形铝合金车体研究现状[J].热加工工
艺,2016(17):5-8.
科学与信息化2021年3月中
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