王 飛，吳 剛，孔浩源

(上海辛格林納新時達電機有限公司， 上海 201801)

引 言

隨著環(huán)境形勢的日益嚴峻和石油能源的逐漸匱乏，發(fā)展新能源汽車既具有重大的戰(zhàn)略價值和經(jīng)濟價值，也是縮小我國與汽車強國技術(shù)差距、扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)汽車發(fā)展瓶頸的必然選擇。新能源汽車是基于驅(qū)動技術(shù)的重大升級和轉(zhuǎn)型，控制器集成了整車的扭矩策略，將需求扭矩轉(zhuǎn)化成電機所需的三相電并驅(qū)動電機，從而實現(xiàn)車輛的運行。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊作為驅(qū)動控制器的核心器件，具有內(nèi)部元器件集成度高、發(fā)熱量大、熱源集中等特點，如果散熱不足極易造成IGBT模塊過熱失效，嚴重影響驅(qū)動控制器的運行穩(wěn)定性和新能源汽車的安全性[1]。同時，在短時大電流的工況下，IGBT模塊溫度過高也會縮短IGBT的使用壽命并導致其可靠性降低，因此IGBT模塊的散熱設計在驅(qū)動控制器的設計過程中至關重要。

在實際的工程應用中，風冷和水冷(液冷)是兩種常用的散熱手段。水冷散熱是指冷卻工質(zhì)在泵的驅(qū)動下，通過特定管路把熱量從散熱器轉(zhuǎn)移到環(huán)境中，從而達到散熱目的的過程[2]。冷卻工質(zhì)一般為純水或者50%的乙二醇水溶液。水冷散熱具有強大的載熱能力，可以強迫熱量定向移動，具有靜音環(huán)保、密封防塵性好、使用安全等優(yōu)點，適用于發(fā)熱量大、熱源集中的工況。同時考慮到整車具備水溶液循環(huán)系統(tǒng)，因此驅(qū)動控制器使用水冷散熱是目前業(yè)內(nèi)的主流選擇[3]。

本文基于理論計算和Icepak仿真分析，對某水冷驅(qū)動控制器進行了散熱設計，同時對比了仿真和理論計算兩種方法得到的IGBT結(jié)溫。計算和仿真結(jié)果可為驅(qū)動控制器產(chǎn)品的散熱設計和可靠性評估提供計算方法和參考數(shù)據(jù)。

1 散熱設計要求

某驅(qū)動控制器額定輸出功率20 kW，峰值輸出功率40 kW(持續(xù)60 s)?？刂破鞯闹饕獰嵩礊镮GBT模塊，型號為斯達GD400FFT65P3S。額定工況時IGBT的實際功耗為791 W(載波頻率8 kHz)，峰值工況時IGBT實際功耗為1 008 W(載波頻率6 kHz)。IGBT封裝詳細建模共有12個IGBT芯片和12個FWD芯片，單個IGBT芯片功耗66 W，單個FWD芯片功耗18 W，芯片在模塊上具體布局見圖1。

圖1 芯片在模塊上具體布局

IGBT模塊有最大允許結(jié)溫要求，散熱設計的目標是使IGBT的實際結(jié)溫小于該最大允許結(jié)溫。斯達GD400FFT65P3S的最大工作結(jié)溫為150 ℃，按照降額設計標準[4]，本文的設計指標為III級降額(設備的失效不會造成人員的傷亡和設施的破壞；設備采用成熟的標準設計；故障設備可方便經(jīng)濟地加以修復；對設備的尺寸、重量沒有大的限制)：額定工況時，IGBT結(jié)溫小于125 ℃；短時過載時，IGBT結(jié)溫小于130 ℃。

2 散熱結(jié)構(gòu)初步設計

驅(qū)動控制器外殼采用壓鑄方式，達到IP67的防護等級。圖2是散熱冷板和流道模型，其中IGBT模塊安裝在冷板上，并在IGBT模塊與冷板之間填充導熱硅脂；IGBT模塊的底部布置叉排擾流柱。

圖2 散熱冷板與流道模型

布置叉排擾流柱的原因在于，初始設計時沒有擾流柱，IGBT模塊底部冷板溫度和IGBT銅基板溫度過高，單純增加冷板厚度和進口流量已無法達到顯著降溫的目的。表1為同樣的冷板大小、厚度及進口流量的情況下，有擾流柱和無擾流柱的仿真溫度對比。從表1可以看出，增加擾流柱能顯著降低IGBT模塊底部冷板溫度和IGBT銅基板溫度，主要是因為擾流柱既提高了冷板內(nèi)部流場的湍流強度又增加了散熱面積，強化了對流散熱效果。

表1 有擾流柱和無擾流柱的溫度對比

3 驅(qū)動控制器散熱設計

3.1 建立仿真模型

Icepak是常用的電子電氣設備熱仿真軟件，使用Icepak可以減少熱設計成本及提高產(chǎn)品的一次成功率[5]。在仿真過程中，為了方便網(wǎng)格劃分及節(jié)省計算時間，對驅(qū)動控制器模型做了一些簡化：流道規(guī)則化、進水口和出水口均用方形代替圓形，同時不考慮外殼上的加強筋，這些簡化對仿真結(jié)果基本無影響。

3.2 設置仿真計算參數(shù)

根據(jù)客戶需求，驅(qū)動控制器最高進水溫度為65 ℃，冷卻工質(zhì)為50%乙二醇水溶液。假定驅(qū)動控制器出水溫度為70 ℃，則水溶液的定性溫度為67.5 ℃，進出口水溶液溫差為5 ℃。表2為67.5 ℃時50%乙二醇水溶液的物性參數(shù)[6]。

表2 67.5 ℃時50%乙二醇水溶液的物性參數(shù)

所需的50%乙二醇水溶液的流量：

式中：P為功耗；ΔT為溫差。

根據(jù)客戶需求，驅(qū)動控制器最小進水流量為8.5 L/min，本設計滿足客戶要求。后續(xù)仿真計算均以進水流量8.5 L/min為設計指標。

3.3 仿真結(jié)果分析

通過Icepak軟件的后處理功能得到仿真計算溫度場云圖和速度場云圖。首先是驅(qū)動控制器滿足額定工況時的仿真分析。圖3為速度切面云圖，從圖中可以清晰看出水冷流道中的速度分布情況，在進水口和出水口處的速度較大，而在擾流柱集中的區(qū)域速度較小。

圖3 速度切面云圖

圖4和圖5分別是冷板溫度分布云圖和IGBT銅基板溫度分布云圖。從圖4和圖5可以看出，冷板溫度最高點分布在IGBT模塊芯片正下方，最高溫度為96 ℃；IGBT銅基板溫度最高點也分布在芯片的正下方，最高溫度為99.19 ℃。熱源最集中的IGBT芯片是散熱設計時需要重點考慮的對象，影響IGBT模塊壽命的最主要因素是IGBT芯片的結(jié)溫。

圖4 冷板溫度分布云圖

圖5 IGBT銅基板溫度分布云圖

圖6和圖7分別是擾流柱溫度分布云圖和冷卻工質(zhì)(50%乙二醇水溶液)溫度分布云圖。

從圖6可以看出，擾流柱溫度分布比較均勻，叉排布置增加湍流強度達到了強化換熱效果。如圖7所示，進出口冷卻工質(zhì)的溫差較小，但是IGBT模塊正下方流道里的冷卻工質(zhì)溫度明顯比進水口溫度偏高。因此針對熱源集中的IGBT模塊進行散熱設計時僅僅增加流量靠冷卻工質(zhì)帶走熱量達不到良好的散熱效果，還需要依靠導熱將IGBT熱量首先傳導至冷板和擾流柱，再由冷卻工質(zhì)帶走冷板和擾流柱的熱量。

圖6 擾流柱溫度分布云圖

圖7 冷卻工質(zhì)(50%乙二醇水溶液)溫度分布云圖

其次，驅(qū)動控制器散熱設計還要滿足能夠在輸出峰值功率40 kW的工況下運行60 s且無故障。因此，針對峰值工況，對IGBT模塊封裝詳細建模。

圖8為60 s時IGBT結(jié)溫分布云圖，此時IGBT結(jié)溫最高為124.88 ℃。

圖8 60 s時IGBT結(jié)溫分布云圖

4 IGBT結(jié)溫計算

4.1 額定工況IGBT結(jié)溫計算

IGBT芯片的發(fā)熱量通過3個環(huán)節(jié)消耗：芯片—外殼、外殼—散熱器、散熱器—環(huán)境[7]。其中，芯片溫度為結(jié)溫Tj，外殼溫度為殼溫Tc，散熱器溫度為Th，環(huán)境溫度為Ta。芯片與外殼之間的熱阻定義為Rth(j-c)，外殼與散熱器之間的熱阻定義為Rth(c-h)。

溫差等于功耗與熱阻的乘積[8]。當散熱器溫度Th已知時(即為水冷板最高溫度)，殼溫Tc=Ta+PRth(c-h)，結(jié)溫Tj=Ta+PRth(c-h)+PRth(j-c)。斯達GD400FFT65P3S的Rth(j-c)為0.122 ℃/W，Rth(c-h)為0.081 ℃/W。

結(jié)到殼的溫差ΔTj-c(IGBT)=PIGBTRth(j-c)=102.9 W×0.122 ℃/W=12.56 ℃。

殼到散熱器的溫差ΔTc-h(IGBT)=PIGBTRth(c-h)=102.9 W×0.081 ℃/W=8.34 ℃。 IGBT結(jié)溫Tj(IGBT)=Th+ΔTj-c(IGBT)+ΔTc-h(IGBT)=96+12.56+8.34=116.9 ℃。

4.2 峰值工況IGBT結(jié)溫計算

電子器件或設備受到功率驅(qū)動后，其有源區(qū)溫度場要達到穩(wěn)態(tài)，需要一定的弛豫時間，這個弛豫時間可用時間常數(shù)τc來表征。峰值工況首先計算時間常數(shù)，根據(jù)實際工作時間與時間常數(shù)的對比可以得到峰值工況的IGBT結(jié)溫。

時間常數(shù)：

τc=RC

(1)

式中：R為熱阻；C為熱容。

熱阻：

(2)

式中：αc為管內(nèi)強制對流換熱系數(shù)；A為換熱面積。

熱容：

C=mcp

(3)

式中：m為總質(zhì)量；cp為比熱容。

對流換熱系數(shù)：

(4)

式中：λ為流體的導熱系數(shù)；D為流道直徑；Re為雷諾數(shù)。

該驅(qū)動控制器換熱面積A=0.195 m×0.23 m，50%乙二醇的導熱系數(shù)λ=0.394 W/(m·K)，驅(qū)動控制器的其他物性參數(shù)見表3。計算得到時間常數(shù)τc=130.89 s。

表3 驅(qū)動控制器(鑄鋁ADC12)物性參數(shù)

該驅(qū)動控制器的設計指標為峰值輸出功率40 kW(持續(xù)60 s)，經(jīng)過計算，達到熱平衡的時間為130.89 s，即60 s時還未達到熱平衡，因此用IGBT的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫進行散熱設計裕量較大。滿足峰值輸出功率時IGBT實際功耗為1 008 W，單個IGBT芯片功耗66 W，單個FWD芯片功耗18 W，2個IGBT芯片構(gòu)成一個橋臂。計算IGBT結(jié)溫時功耗發(fā)生變化，熱阻不變。

結(jié)到殼的溫差ΔTj-c(IGBT)=PIGBTRth(j-c)=132 W×0.122 ℃/W=16.1 ℃。

殼到散熱器的溫差ΔTc-h(IGBT)=PIGBTRth(c-h)=132 W×0.081 ℃/W=10.69 ℃。

IGBT結(jié)溫Tj(IGBT)=Th+ΔTj-c(IGBT)+ΔTc-h(IGBT)=99.89+16.1+10.69=126.68 ℃。

峰值工況IGBT的結(jié)溫為126.68 ℃，滿足設計標準。由于60 s時尚未達到熱平衡，因此驅(qū)動控制器的散熱設計可以滿足峰值輸出功率40 kW且維持60 s的設計要求。

5 結(jié)束語

本文對某驅(qū)動控制器做了詳細的散熱設計。首先進行水冷板和流道初步設計，然后通過熱仿真結(jié)果優(yōu)化散熱設計。通過熱仿真設計能夠得到流道中的軌跡、水冷板溫度分布云圖和IGBT結(jié)溫分布云圖，方便對控制器進行結(jié)構(gòu)設計和散熱優(yōu)化。同時對比了仿真和理論計算得到的IGBT結(jié)溫，兩種計算方法的誤差小于2%。熱仿真和理論計算結(jié)果均表明散熱設計可以滿足控制器在額定功率和峰值功率(60 s)兩種工況下的要求。本文的計算和仿真結(jié)果可為驅(qū)動控制器產(chǎn)品的熱設計和可靠性評估提供計算方法和參考數(shù)據(jù)。