图 8 不同翅片数量和不同翅片质量分数的 TCM

实验研究表明，在基于 PCM 的散热器中嵌入不同的金属结构有利于增强散热器的热性能。Xie等提出了一种创新树形金属结构，嵌入基于PCM 的散热器中，以更好地将热量从集中的热源扩散到 PCM 外壳中，模型如图9所示。数值模拟研究了自然对流条件下嵌入不同类型金属结构的基于PCM 的散热器的热性能，具体包括常规的板翅结构和通过拓扑优化获得的创新树形结构。其次，Xie等针对同一创新树形金属结构进行了进一步地研究 ，实验以金属体积分数为20％ 和30％ 的2个板翅式散热器结构 PCM 外壳为基准，生成金属体积分数相似的18.7％ 和27.6％ 的优化树形结构进行比较。建立基于流体体积（volume of fluid fluid volume，VOF）和焓‐孔隙率方法的研究方法，以研究 PCM 外壳的动态热行为。

图 9 创新树形金属结构图

基于 PCM 的散热器主要是利用相变原理进行散热，在热管理领域，PCM 可用于间歇性工作的电子组件的被动冷却或热缓冲。当 PCM 熔化时，它将吸收大量的热量，保护电子组件免于过热。组件停止工作后，PCM 模块吸收的热量释放到环境中，PCM 固化以准备下一次热冲击。

3.2 主动散热
散热器的散热方式分为主动散热和被动散热。通过翅片与空气之间的热对流和热辐射进行散热的过程是被动散热，被动散热没有借助外力，主动散热的方法则在此基础上增加外力，如风扇、液冷等方式来增强散热，可有效提高散热器的散热效率1~2个能量级，动散热一般分为2种形式：风冷和液冷散热技术。

3.2.1 风冷散热技术
随着 IGBT 功率器件的高集成化、大功率化，散热问题越来越突出，对 IGBT 功率半导体模块的冷却要求也越来越高，很难为具有空气冷却的大功率和热通量 IGBT 模块提供足够的冷却，自然对流冷却技术已经不能满足 IGBT 功率器件的散热需求，因而需要采用强制风冷散热技术，加快 IGBT 模块冷却，降低模块温度。强化风冷散热的措施主要为增大散热面积、提高换热系数和合理设计风道。

郭宪民等分析与研究了气体式冷板，建立了冷板表面热源的非均匀分布下的数学模型，如图10所示，热量传递路径为：底板→冷板通道 →气体流体。赵连全等通过实验分析研究了高温钢板在空气射流冷却中的瞬态传热特性，见图11，结果显示换热系数受过程中被冲击表面的温度变化的影响，提高气体流量可以提高换热能力。邱海平等研究探索了泡沫铝翅片在 IGBT 功率半导体模块中的散热性能，结果显示：不同于普通的翅片散热器，因为比其表面积和内部不规则通道的存在，泡沫铝翅片散热器可以强化 IGBT 功率器件传热 ，降低功率器件的温度 ，提高电力电子器件的工作性能和可靠性。

与自然冷却相比，强制风冷的散热量可提高5~12倍。但强制风冷存在需要配置风机与风路的问题，其可靠性及冷却效率仍然较低，且会产生较大噪音。

图 10 冷板内气体流动

图 11 空气射流示意图

3.2.2 液冷散热技术
当 IGBT 处于高频作业状态时 ，热损耗导致模块温升持续增加，会严重影响 IGBT 功率半导体器件的工作性能，同时元件的可靠性降低，大大减小元件寿命，超过一半的 IGBT 器件损坏是由热故障引起的，因此热管理很重要。尤其当设备的功率很大时（兆伏安级），风道设计、风压提供与噪声指标等条件，实施起来会十分困难，传统的强制风冷散热技术已不能够很好地满足设备散热要求，水冷散热能力更强，更适合应用于大功率 IGBT 功率半导体器件的散热系统中，目前水冷散热技术也逐渐被广泛应用。

目前，水冷散热技术已经非常成熟。张程等研究了 IGBT 大功率模块水冷散热系统的设计，通过进行仿真和工程实验，解决了 IGBT 冷却系统参数设计难题，最终提出一种基于相似理论的水冷散热系统的热路等效热阻求解公式，研究得到一、二次冷却结构参数设计方法。姜坤等对直接水冷 IGBT 功率模块翅针散热器进行了研究，通过有限元仿真分析，总结了各主要参数对散热性能的影响规律，证明了翅针散热器散热效果最好时的翅针直径、翅针间距、翅针长度和流量。