◎新エネルギー車向けIGBTの液冷に関する数値シミュレーション

１．はじめに
新エネルギー車（NEV）の中核部品において、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）は極めて重要な役割を担っています。IGBTは、パワーバッテリーと電気モーターを接続する重要なリンクであるだけでなく、車両のエネルギー変換効率と動的性能を決定づける中核要素でもあります。特にモーター駆動制御システムにおいては、直流（DC）と交流（AC）間の高効率な変換を可能にし、モーターの安定動作と車両への強力な駆動力供給を実現します。
しかし、IGBTは動作中に固有の電力損失によりかなりの熱を発生します。この熱が速やかに放散されず、温度が規定の安全動作範囲を超えると、デバイスの性能が著しく低下する可能性があります。深刻な場合、これは永久的な損傷につながり、新エネルギー車の電力出力と走行安全性に重大な脅威を与える可能性があります。
新エネルギー車（NEV）の熱管理分野において、液冷シミュレーション技術はIGBTの熱的課題に対処するためのコア技術として注目されています。複雑な流路内における冷却液の流れと放熱プロセスを正確にシミュレーションすることで、エンジニアはIGBTの温度分布に関する深い洞察を得ることができます。これにより、冷却ソリューションを的確に最適化し、IGBTが安全な温度範囲内で確実に動作することを保証できます。そこで、ZWSOFTは顧客の要求に基づき、自社の流体シミュレーションソフトウェアを用いてIGBTの液冷シミュレーション解析を実施し、その熱設計が要求を満たしているかどうかを評価しました。

２．IGBT液冷シミュレーションモデル

2.1 研究対象

検討対象の車載用IGBTモジュールの動作周囲温度は50℃です。冷却媒体は、エチレングリコールと蒸留水を体積比50/50で混合したものです。冷却プレートにおける冷却液入口温度は60℃、流量は15L/分です。1つのIGBTの放熱電力は988Wです。その他のコンポーネントの放熱負荷は、図1のモデルに注釈として示されています。すべての電子部品の材料はシリコンで、冷却プレートの材料はAL6061です。このシミュレーションでは、液体冷却条件下におけるIGBTの温度分布のみをモデル化しています。

図１ IGBTモデルの概略図

図２ コールドプレートの流路モデル

表１ シリコンの非線形熱伝導率

表２ AL6061物性値

表３ エチレングリコール水溶液の物性

2.2 モデルの仮定と数値シミュレーションモデル

シミュレーションにあたっては、以下の仮定を置きました。
1. コールドプレート内の流体は非圧縮性である
2. 流れは定常かつ乱流である
3. コールドプレート出口圧力は大気圧であ
計算精度と効率のバランスを取りながら、コールドプレート内の複雑な流れをシミュレートするために、標準的なk-ε乱流モデルを選択しました。流路内の小さな断面に対して局所的なメッシュ細分化を適用し、正確な幾何学的表現を確保した結果、最終的なメッシュは500万〜3300万セルになりました。

図３ メッシュ分割

３. 結果と考察

3.1 IGBT温度解析

図4の表面温度コンタ図から、最高温度は91.97℃で、流路出口に最も近いIGBT部品で発生していることがわかります。このIGBTの温度が全体的に高いのは、冷却液が上流側のIGBTから順番に熱をうけとり、徐々に温度が上昇するためです。IGBTの最高温度は130℃未満であり、他の電子部品の温度もすべて80℃未満であることから、IGBTモジュールは熱設計要件を満たしていることがわかります。

図４ コンポーネントの表面温度コンタ

3.2 コールドプレート内部流れ解析

コールドプレート（液冷のヒートシンク）の冷却チャネルの中央を通る断面を作成しました。この断面の温度と速度の等高線図をそれぞれ図5と図6に示します。結果から、コールドプレート内の高温領域は主にIGBTの下に分布していることがわかります。IGBT直下の冷却液の最高温度は約83℃です。左側の流路の温度は比較的低くなっています。これは、この領域の部品からの放熱量が比較的少なく、コールドプレートとの接触面積が大きいためです。コールドプレートのほとんどの領域における流速は約2m/sで、最大流速は3.79m/sです。IGBT領域の狭い冷却チャネル内では、流速は約1.5m/sです。この流速は、IGBTモジュールから熱を迅速に除去するのに十分です。

図５ コールドプレート中心断面の温度コンタ

図６ コールドプレート中心断面の速度コンタ

3.3 コールドプレート流入流出の検討

図7および図8に示すように、コールドプレートの入口と出口の温度および圧力等高線図を作成し、中心点の温度と圧力を測定しました。その結果、入口温度は60.0℃、出口温度は68.4℃となり、流路全体で冷却材の温度が8.4℃上昇した。入口圧力は155,209 Pa、出口圧力は0 Pa（大気圧）であり、コールドプレート全体で155.2 kPaの圧力降下が生じました。

図７ 入口出口の温度測定結果

図８ 入口出口の圧力測定結果

４. まとめ

本研究では、ZWSOFT社の流体シミュレーションソフトウェアを用いてIGBTの液冷に関する数値モデルを構築し、液冷シミュレーション解析を成功裏に実施しました。主な結論は以下のとおりです。
1. IGBTはモデル全体で最も高い温度を示し、91.97℃です。この最高温度は130℃未満であるため、設計は熱要件を満たしています
2. 冷却液の最高温度は約83℃で、高温領域は主にIGBT直下の狭い冷却チャネルに集中しています
3. コールドプレートの入口側温度は60.0℃、出口側温度は68.4℃で、チャネルを通過する際の冷却液温度上昇は8.4℃です
4. コールドプレートの入口側圧力は155,209 Pa、出口側圧力は0 Paで、チャネル全体の圧力降下は155.2 kPaです