楊鵬宏

摘? 要：隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，使用電子冷卻風(fēng)扇替代傳統(tǒng)風(fēng)扇正成為一種發(fā)展趨勢(shì)。電子風(fēng)扇相較于傳統(tǒng)風(fēng)扇降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失及低溫條件下的磨損程度。文章分析了在功率器件中發(fā)熱量占主導(dǎo)地位的MOSFET的發(fā)熱機(jī)理并進(jìn)行了損耗的相關(guān)公式推導(dǎo)。在Icepak中搭建了冷卻風(fēng)扇和控制器的模型并在高溫條件下進(jìn)行有限元仿真分析。仿真結(jié)果顯示在設(shè)計(jì)最高環(huán)境溫度下MOSFET的溫度滿足要求。

關(guān)鍵詞：Icepak軟件;強(qiáng)迫風(fēng)冷;金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管

中圖分類號(hào)：TN602? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）11-0027-03

Abstract： With the development of automotive electronics technology， electronic cooling fans have become a trend to replace traditional fans. Compared with traditional fans， electronic fans reduce engine power loss and abrasion at low temperatures. This article analyzes the heating mechanism of the dominant MOSFET that generates heat in power devices and derives the relevant formula for loss. Models of cooling fans and controllers were established in Icepak and finite element simulation analysis was performed under high temperature conditions. The simulation results show that the temperature of the MOSFET meets the requirements at the designed maximum temperature.

Keywords： Icepak software; forced air cooling; MOSFET

汽車電子冷卻風(fēng)扇是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。大部分乘用車電子風(fēng)扇同時(shí)控制著水箱散熱片和空調(diào)散熱片，當(dāng)需要電子風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果它不能正常工作，水箱里的溫度就會(huì)偏高，同時(shí)壓縮機(jī)也會(huì)因散熱困難導(dǎo)致壓力過(guò)高而停機(jī)，這會(huì)影響空調(diào)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)還有可能導(dǎo)致車輛起火自燃等危險(xiǎn)情況發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，55%的電子設(shè)備失效是由溫度過(guò)高引起的[1]。研究表明：半導(dǎo)體元件溫度提高10℃，其可靠性降低50%;對(duì)于電子設(shè)備，每降低1℃的溫度，故障率將下降4%。汽車電子冷卻風(fēng)扇采用將控制器置于風(fēng)道中的冷卻方式，通過(guò)散熱翅片與風(fēng)扇的配合達(dá)到有效抑制MOS管溫升的效果。

1 汽車電子風(fēng)扇的工作原理

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液存在小循環(huán)和大循環(huán)兩種工作方式。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較低時(shí)冷卻液不經(jīng)散熱器并以小循環(huán)方式通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣有助于發(fā)動(dòng)機(jī)快速升溫至正常工作溫度。通過(guò)吸收來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量，冷卻液溫度升高。當(dāng)溫度達(dá)到閾值溫度后，旁通閥關(guān)閉，主閥打開，高溫冷卻液從發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)流向散熱器，散熱器風(fēng)扇便會(huì)開啟，冷卻液的熱量將會(huì)借助風(fēng)扇散發(fā)到空氣中。風(fēng)扇控制器通過(guò)對(duì)ECU指令的解析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的無(wú)極調(diào)速，從而達(dá)到精確控制溫升的目的。

2 MOSFET的開關(guān)過(guò)程及發(fā)熱分析

MOSFET的開通電路示意圖如圖1所示，開通過(guò)程如圖2所示。過(guò)程可以分為四個(gè)階段：

第一步，MOS管的柵源極電壓被充至閾值電壓，在這個(gè)階段CGS和CGD電容器吸收的電流有所不同，絕大部分都流入了CGS。當(dāng)MOS管開始流過(guò)大電流時(shí)就可以說(shuō)明G極電壓已經(jīng)達(dá)到VTH。

第二步，柵極電壓從閾值電壓升高到米勒平臺(tái)電壓VGS，Miller。隨著VGS的不斷提升，此時(shí)柵端電流的流向和之前保持一致。在輸出端，漏電流持續(xù)增加，而VDS則保持不變。

第三步，達(dá)到米勒平臺(tái)電壓VGS，Miller，此時(shí)負(fù)載電流可以完全通過(guò)MOS管，此時(shí)，漏極電壓開始降低。但VDS基本保持不變，這是因?yàn)闁艠O電壓波形中的米勒平臺(tái)區(qū)。因?yàn)槭艿酵獠侩娐返南拗?，所以漏極電流ID保持恒定[2]。

第四步，柵極電壓繼續(xù)增加，MOS管流過(guò)負(fù)載電流的能力持續(xù)增強(qiáng)。MOS管最終的導(dǎo)通電阻由VGS的終值VDRV決定。

通過(guò)對(duì)CGS和CGD的充電過(guò)程實(shí)現(xiàn)了上述這四個(gè)階段。當(dāng)電容器充放電時(shí)，因?yàn)閷?dǎo)通電阻下降，因此VDS略有下降。

MOS管關(guān)斷過(guò)程的描述基本上是導(dǎo)通過(guò)程的逆過(guò)程。四個(gè)時(shí)間階段中，MOS管在最高和最低阻抗?fàn)顟B(tài)之間切換。四個(gè)時(shí)間階段的長(zhǎng)短是寄生電容值，電容兩端的電壓以及柵極驅(qū)動(dòng)電流的函數(shù)[3]。從中可以看出對(duì)于高速，高頻開關(guān)應(yīng)用而言，正確選擇器件和優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的重要性。

MOS管數(shù)據(jù)手冊(cè)中列出了開通和關(guān)斷的延遲時(shí)間以及開關(guān)波形中上升和下降的時(shí)間[4]。遺憾的是，這些數(shù)字對(duì)應(yīng)于特定的測(cè)試條件和負(fù)載，從而使不同制造商之間的產(chǎn)品比較變得困難。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，開關(guān)性能與數(shù)據(jù)表中給出的數(shù)字有很大不同。

在實(shí)際應(yīng)用中MOS管的開關(guān)過(guò)程將不可避免的有損耗產(chǎn)生，特別是在高頻應(yīng)用中。

損耗主要分為兩類：柵極驅(qū)動(dòng)損耗和開關(guān)損耗。在這兩種損耗中比較簡(jiǎn)單的是柵極驅(qū)動(dòng)裝置的損耗。啟動(dòng)或關(guān)斷MOS管涉及電容的充電和放電。當(dāng)電壓為電容兩端充電時(shí)，一定數(shù)量的電荷會(huì)被轉(zhuǎn)移，在經(jīng)歷前述四個(gè)階段過(guò)程后，柵極電壓從0V升高到實(shí)際驅(qū)動(dòng)終值電壓VDRV。柵極充電損耗PGATE可通過(guò)式1計(jì)算：

（1）

fDRV是柵極驅(qū)動(dòng)頻率，在大多數(shù)情況下它等于開關(guān)頻率。

除了柵極驅(qū)動(dòng)功率損耗之外，由于在MOS管中同一時(shí)刻存在較大電流和較高電壓的交越現(xiàn)象，所以會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗[5]。為了保證開關(guān)損耗最小，該時(shí)間段理論上來(lái)說(shuō)越短越好。從MOS管的開關(guān)過(guò)程來(lái)看，無(wú)論是開通還是關(guān)斷，該階段均出現(xiàn)在階段2，3中。這段時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)著柵極電壓變化從VTH到VGS，Miller期間MOS管的線性工作過(guò)程以及漏極電壓經(jīng)歷開關(guān)切換時(shí)的米勒平坦區(qū)域。

MOS管開關(guān)損耗的粗略估算可以使用階段2、3中柵極驅(qū)動(dòng)電流、漏極電流和漏極電壓波形的線性近似[6]。階段2和階段3中柵極驅(qū)動(dòng)電流為：

假定以IG2對(duì)器件的輸入電容從VTH到VGS，Miller充電，IG3是CRss電容的放電電流，開關(guān)時(shí)間的近似計(jì)算公式為：

在t2階段，D極電壓為VDS（off），并且電流從0A上升到負(fù)載電流IL，而在t3階段，D極電壓從階段2結(jié)束時(shí)的VDS（off）下降到接近0V。同樣使用近似線性估算各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的功耗為：

這里T指的是開關(guān)周期，整個(gè)開關(guān)損耗是兩部分的總和，簡(jiǎn)化表達(dá)式如下：

盡管開關(guān)過(guò)程很好理解，但想精確地計(jì)算開關(guān)損耗卻很難，因?yàn)榧纳母行栽?huì)在改變電流和電壓波形以及開關(guān)切換過(guò)程中的時(shí)間。

3 數(shù)學(xué)模型

電子熱仿真模擬主要是利用計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算來(lái)求解電子產(chǎn)品所處環(huán)境的流場(chǎng)，溫度場(chǎng)等物理場(chǎng)，屬于CFD的范疇。通過(guò)對(duì)CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以定向定量地指導(dǎo)工程師進(jìn)行結(jié)構(gòu)、電路方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。流體連續(xù)性方程可以通過(guò)CFD分析獲得：

動(dòng)量守恒方程X方向：

Y方向：

Z方向：

u、v、w分別是X、Y、Z方向的速度，Su、Sv、Sw是廣義源項(xiàng)。對(duì)電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，強(qiáng)迫冷卻是通過(guò)外部原因產(chǎn)生的壓力差作用，使得流體進(jìn)行流動(dòng)，冷流體與電子設(shè)備內(nèi)的器件進(jìn)行熱量交換，冷卻電子設(shè)備以確保設(shè)備在合理的溫度范圍內(nèi)正常工作。通常，當(dāng)電子器件的熱流密度超過(guò)0.08W/cm2或體積熱流密度超過(guò)0.18W/cm3時(shí)，強(qiáng)迫冷卻可用于電子器件的散熱[7]。

4 熱仿真分析

冷卻風(fēng)扇的主要作用是向汽車發(fā)動(dòng)機(jī)水箱散熱，因此電機(jī)只需滿足單向轉(zhuǎn)動(dòng)即可。電子風(fēng)扇控制器的工作性能和參數(shù)如下：

系統(tǒng)額定功率：520W

單個(gè)MOS管的發(fā)熱功率：3W

額定電壓：13V;工作電壓范圍：9-16VDC

元器件等級(jí)：AEC-Q100/200

耐久性能：測(cè)試環(huán)境溫度最高105℃，器件最高溫度不超過(guò)150℃

由于本系統(tǒng)負(fù)載為電機(jī)，驅(qū)動(dòng)頻率過(guò)低會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變大同時(shí)電機(jī)會(huì)發(fā)出噪聲，本系統(tǒng)將頻率設(shè)為15kHz。為了減少發(fā)熱采用兩路MOSFET并聯(lián)使用的方式，兩路MOSFET并聯(lián)后減少了導(dǎo)通電阻。

在繪制電路板時(shí)，將MOSFET布置在周圍器件少的地方，并專門設(shè)計(jì)了鋁合金材質(zhì)的散熱臺(tái)（導(dǎo)熱系數(shù)：155W/（m·℃））用于散熱，散熱臺(tái)與PCB板間采用導(dǎo)熱硅膠墊（導(dǎo)熱系數(shù)：3.0W/（m·℃））連接，厚度為0.8mm。電子冷卻風(fēng)扇散熱翅片實(shí)物如圖3和圖4所示。

根據(jù)風(fēng)量測(cè)試臺(tái)生成的風(fēng)量曲線在ANSYS Icepak繪制風(fēng)壓風(fēng)量的P-Q曲線。Icepak通過(guò)系統(tǒng)的阻力及風(fēng)機(jī)的P-Q曲線計(jì)算，得到內(nèi)部風(fēng)機(jī)給系統(tǒng)提供的壓力和流量，即風(fēng)機(jī)的真實(shí)工作點(diǎn)。

采用六面體占優(yōu)網(wǎng)格類型劃分網(wǎng)格，PCB板與導(dǎo)熱硅膠墊單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。環(huán)境溫度設(shè)為105℃，考慮傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種傳遞方式散熱風(fēng)速及溫度分布云圖如圖5和圖6所示，MOS管的最高溫度為120.739℃，未超過(guò)允許設(shè)計(jì)最高溫度150℃，因此散熱設(shè)計(jì)滿足規(guī)格要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)MOS管的發(fā)熱機(jī)理進(jìn)行了理論分析和公式推導(dǎo)，給出了線性近似情況下的MOS管損耗計(jì)算公式。借助有限元分析對(duì)高溫環(huán)境下汽車電子冷卻風(fēng)扇控制器MOS管進(jìn)行了散熱仿真，仿真結(jié)果滿足熱設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

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