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提升IGBT功率模块散热性能的关键路径——基于希禾增材散热结构优化的技术分析

在新能源汽车的高速发展中，IGBT功率模块承担着电驱系统核心能量转换的作用，其可靠性直接关系到整车的安全与性能。然而，无论是行业经验还是学术研究都反复指出：功率模块真正的“隐形杀手”并非电气问题，而是由高温及温度循环引发的热应力疲劳。这种热疲劳最终会表现为焊层开裂、键合线脱落等失效模式，也是绝大多数功率模块寿命缩短的根源。随着电驱系统朝着更高功率密度持续演进，传统散热手段已难以满足需求，Pin-Fin式液冷方案成为当前车规级功率模块主流冷却方案的选择。

Pin-Fin结构之所以在车规模块中占据主导地位，原因并不复杂。其一，它能在有限体积内显著扩大换热面积，提高对流换热效率；其二，将热阻降低，缩短热传导路径，使芯片温度峰值得到有效控制；其三，该结构具备良好的可拓展性，可与双面冷却协同工作，满足不断上升的热流密度需求。值得注意的是，Pin-Fin的几何形状对散热效果和流动阻力具有很大影响。从圆柱、水滴到椭圆等结构，每一种设计都代表着不同的工程优化方向。

传统制造工艺受限于刀具与加工路径，很难在金属材料上形成高密度、复杂的散热结构。增材制造的介入，恰好打破了这一瓶颈。通过逐层构筑的方式，增材制造不仅能实现更小的翅片间距和更多样化的几何形状，还能够制造三维交错流道和传统工艺无法实现的细微结构，为散热器的结构优化提供了前所未有的自由度。这正是希禾增材在功率模块散热基板领域形成竞争优势的技术基础。

为了突破功率模块的散热瓶颈, 希禾增材携手某国际知名散热器件厂家，针对液冷板散热性能不足的问题展开了合作研究，使用纯铜3D打印技术获得了高性能的散热器产品。采用希禾增材的自研绿激光纯铜3D打印设备，结合3D打印加工方式赋予的高自由度设计以及团队成员高水平的设计能力，三种构型的功率模块散热器产品被制作出来。基于保密性原则，构型的具体样式不做展示。从上表数据中，我们可以清晰观察到三种不同构型在散热表现上的差异。原始构型采用常见的圆柱结构，最高温度达到115°C±3°C，流阻为60 kPa。在保持相同冷却液流量与设计域尺寸的条件下，第一种优化方案“水滴结构”将最高温降低至105°C±3°C，改善幅度达到10°C以上，同时流阻保持不变。这说明通过改变散热特征的构型、尺寸、间距和排布等，既能保持流阻水平，又显著增强换热性能。

进一步引入交错翅片结构后，优化构型2的最高温度为108°C±3°C，温度下降幅度为8°C以上，但流阻降低至58 kPa，是三种方案中最低的。优化构型2展现出的“温度优化＋流阻下降”组合，使其成为更平衡的设计，尤其适合整车能耗敏感的场景。

从机理上看，水滴形结构具有很好的减阻效果，在相同流阻条件下可布置更多单元，从而加强换热。而增材制造能够加工出更小尺寸的水滴结构和间距，从而有效增加换热面积。散热性能提升不仅意味着温度降低，更重要的是对功率模块寿命的直接影响。 针对该项目的进一步研究与优化验证正在持续进行。

综上所述，Pin-Fin、翅片等结构的液冷方案仍将是未来车规模块散热的核心技术路线，而增材制造带来的设计自由度，正在推动这一结构从“可制造”转变为“可优化”。希禾增材的优化构型以可量化的数据展示了增材制造在散热提升中的工程价值：既能实现显著的温度改善，也能在系统层面降低流阻，提高液冷效率。

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