Optimal Design of Pin-Fin Heatsinks for SiC Power Modules Based on Analytical Thermal Modeling and TLBO Algorithm

散热片 结温 优化设计 计算机科学 功率密度 遗传算法 粒子群优化 功率(物理) 趋同(经济学) 热的 算法 机械工程 数学优化 工程类 数学 物理 热力学 机器学习 经济 经济增长
作者
Linke Zhou,Mohamed Mokhtar Hefny,Yuhang Yang,D.Y. Wang,Samantha Jones-Jackson,Giorgio Pietrini,Ali Emadi
标识
DOI:10.1109/itec55900.2023.10187031
摘要

Thermal management has always been one of the leading technical challenges in high-power power modules. Especially in the current trend of seeking high power density of devices, optimized thermal design is crucial. This paper presents an optimal design method for pin-fin heatsinks for SiC power modules, based on analytical thermal models and Teaching Learning Based Optimization (TLBO) algorithm. First, the analytical thermal model of the pin-fin heatsink is introduced, which combines the Fourier-based conduction model and the empirical convection model. Junction temperature $(T_{j})$ can be directly estimated using this comprehensive model and has been verified to be within a 5% error by numerical simulations. Then, this paper investigates the effectiveness of TLBO in finding the optimal pin-fin heatsink with a compatible cold plate. Compared to Genetic Algorithm (GA) and Particle Swam Optimization algorithm (PSO), TLBO can converge more easily, taking only one-third of the convergence time with the same optimization target and constraint. This proposed optimal design methodology not only improves the power density of the converter system but also provides a valuable design method for researchers and engineers in the field.
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