電機(jī)控制器IGBT用風(fēng)冷散熱器設(shè)計

江超+唐志國+李薈卿+郝嘉欣

摘 要：電機(jī)控制器絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）散熱性能越發(fā)成為影響電機(jī)乃至電動汽車安全性、可靠性及動力性的重要因素。提出一種新型純電動汽車電機(jī)控制器IGBT用風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)方案，對IGBT熱源及所設(shè)計的新型風(fēng)冷散熱器建立了黑匣子仿真模型，通過理論估算得出在額定工況下IGBT結(jié)點溫度，進(jìn)而利用流體仿真軟件對IGBT芯片結(jié)溫和散熱器的溫度場、流場進(jìn)行可視化熱仿真分析。同時對IGBT芯片結(jié)溫進(jìn)行試驗測定，并與熱仿真結(jié)果以及理論估算結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了該新型風(fēng)冷散熱器能滿足IGBT正常工作的熱設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：電機(jī)控制器；絕緣柵雙極型晶體管；散熱器；結(jié)溫；熱仿真

中圖分類號：TN305.94文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.03.04

在電動汽車中，電機(jī)控制器IGBT散熱器的功用就是保證電驅(qū)動系統(tǒng)在任何負(fù)荷條件和工作環(huán)境中均能在最合適的溫度狀態(tài)下正常可靠穩(wěn)定地工作，是影響電驅(qū)動系統(tǒng)及整個電動汽車安全性、可靠性和動力性能的重要因素[1]。近年來，IGBT工作中產(chǎn)生的熱功耗不斷增大[2-3]，為保證電機(jī)控制器中IGBT能夠正常工作，通常IGBT能夠允許最大結(jié)溫不超過125 ℃，散熱器基板溫度應(yīng)控制在85 ℃以下[4]。所以，散熱器散熱性能的優(yōu)劣已成為電機(jī)控制器設(shè)計的一個關(guān)鍵問題[5-8]。

電機(jī)控制器內(nèi)的熱環(huán)境是非常復(fù)雜的，除了需要依靠基于經(jīng)驗的理論估計和試驗研究外，也需要借助成熟的計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)來完善對電機(jī)控制器熱特性的準(zhǔn)確評估與分析。將CFD仿真、理論計算融入整個結(jié)構(gòu)設(shè)計中，合理優(yōu)化改善其內(nèi)部熱環(huán)境，從而提高其可靠性，得到合理的熱管理方案，縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間[9]。

鑒于IGBT本身結(jié)構(gòu)與材料的復(fù)雜性，目前大多數(shù)文獻(xiàn)[10-11]均忽略IGBT的高溫結(jié)點，將其假設(shè)為均勻分布的平板熱源進(jìn)行熱仿真分析。文獻(xiàn)[10]用與IGBT尺寸相同的均勻發(fā)熱塊代替熱源，得到一組散熱器熱阻數(shù)據(jù)庫。文獻(xiàn)[11]也將IGBT都假設(shè)為均勻分布的熱源，IGBT的熱損耗全部假設(shè)均勻分布在基板上，最終通過計算水冷散熱器表面溫升估計出功率器件的溫升。

基于目前常規(guī)風(fēng)冷散熱器不能滿足純電動汽車電機(jī)控制器IGBT散熱需求，本文提出一種新型風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)方案。根據(jù)IGBT的芯片實際功耗情況，通過計算每個熱源結(jié)點的熱功耗，對IGBT結(jié)溫進(jìn)行理論估算，并利用流體熱仿真軟件對IGBT多點熱源及散熱器進(jìn)行建模仿真，獲得IGBT高溫結(jié)點和所設(shè)計的新型風(fēng)冷散熱器的溫度分布和流場分布，同時進(jìn)行試驗測定，對比驗證該新型風(fēng)冷散熱器的散熱性能。

1 新型風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)

本文提出的電機(jī)控制器新型風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，外圍尺寸為230 mm×240 mm×100 mm，基板厚度為14 mm，翅片厚度為3 mm，高度為86 mm，每個翅片兩面都對稱分布有50個小翅片，厚度為0.5 mm，高度為1.5 mm。圖2為去除百葉窗后的仿真三維模型。

該散熱器通過密集布置小翅片增大其同外界的對流換熱面積，從而達(dá)到改善散熱器散熱效果的目的。其對流換熱面積可達(dá)2.67 m2，相同尺寸的無小翅片傳統(tǒng)散熱器換熱面積約為1.01 m2，所以該散熱器可大大減小同外界環(huán)境之間的傳熱熱阻。

2 傳熱模型建立及其簡化

本文中電機(jī)控制器IGBT熱源由3個IGBT模塊構(gòu)成，一個完整的IGBT模塊包括4個IGBT和4個續(xù)流二極管，但實際工作過程中，大部分功率損失是產(chǎn)生在IGBT上的，而續(xù)流二極管承受較低的負(fù)載，所以此處可將續(xù)流二極管的功率損耗忽略，所有熱量均視為IGBT產(chǎn)生。根據(jù)廠家給定的相關(guān)參數(shù)，采取線性近似方法，計算每個IGBT熱源在額定工況下的熱功耗為54.2 W。傳熱過程中，熱量由IGBT模塊產(chǎn)出，經(jīng)過封裝層到達(dá)散熱基板，最終傳遞至散熱翅片與外界進(jìn)行對流換熱，具體傳熱模型如圖3所示。IGBT模塊的上側(cè)被導(dǎo)熱性能差的硅凝膠[導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/（m·℃）]封裝保護(hù)，可認(rèn)為IGBT芯片的熱量主要通過下部的封裝材料與基板傳遞到散熱器。由于封裝層內(nèi)有多種材料及其焊層（包括導(dǎo)熱硅脂層），各層的厚度數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致封裝層導(dǎo)熱系數(shù)的理論計算困難。為了便于進(jìn)行CFD模擬分析，本文將IGBT模塊到散熱器基板之間的封裝層簡化為某一材料的實體塊，其熱物性未知，即可認(rèn)為是黑匣子模型。

3 理論計算分析

IGBT芯片工作過程中產(chǎn)生的熱量主要通過熱傳導(dǎo)的方式經(jīng)過基板傳至散熱器，然后通過強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換。所以整個熱傳導(dǎo)的過程中，熱阻可分為三個部分：IGBT結(jié)殼熱阻，即從IGBT晶體到散熱器基板的熱阻Rjc（本文已簡化為黑匣子）；散熱器內(nèi)固體傳熱熱阻Rch；以及散熱器與外界環(huán)境之間的傳熱熱阻Rha [12]；R、Rjc、Rch、Rha 的單位均為℃/W。

即整個傳熱過程總熱阻為

。

其中

。

式中，d為黑匣子厚度，m；K為其導(dǎo)熱系數(shù)，取 K=26 W/（m·℃）；A為黑匣子部分的傳熱橫截面面積。即

，

。

式中，l為散熱器高度，m；Ks為散熱器材料導(dǎo)熱系數(shù)，此處為209 W/（m·℃）；L為翅片長度，m；b為翅片厚度，m；n為翅片個數(shù)。即：

，

。

式中，h為基板厚度，m；A為散熱器有效散熱面積，m2；Pv為IGBT額定工況下發(fā)熱功率，W；C1為散熱器安裝狀態(tài)系數(shù)，因是水平安裝，故取C1=0.4； C2為強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱條件下，散熱器相對熱阻系數(shù)，根據(jù)選用的風(fēng)機(jī)流量取C2=0.4；C3為空氣換熱系數(shù)，由于空氣流場紊流為主，故取C3=0.1。即

綜上各式：

0.112 4 。

根據(jù)IGBT結(jié)溫Tj計算方法，可將整個散熱系統(tǒng)簡化并等效為如圖4所示的計算電路模型[13-14]。

其中，Pv為額定工況下IGBT總的散熱功率； Ta為整個系統(tǒng)所處環(huán)境溫度（20 ℃）；Th為散熱器平均溫度，℃；Tc為基板溫度，℃。

。

則在額定工況下：

Tj=20 ℃+650.4×0.112 4+10 ℃=103.15 。

該溫度值小于IGBT所允許最大結(jié)溫為125℃，從理論分析上認(rèn)為該散熱器完全滿足IGBT散熱要求，從而進(jìn)一步對其進(jìn)行CFD仿真以及試驗驗證。

4 數(shù)值模擬

4.1 CFD數(shù)學(xué)模型

CFD流體傳熱仿真基于物理守恒定律，包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律以及能量守恒定律等[15-17]，對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型方程如下所述。

4.1.1 基本方程

即N-S方程：

。

。

。

式中，為流體密度，kg/m3；p為動壓強(qiáng)，Pa；t為時間，s；u、v和w為流體在X、Y、Z方向上的速度分量；、以及表示的是單位質(zhì)量流體在X、Y、Z方向上受到的粘滯力。

4.1.2 連續(xù)方程

。

4.1.3 能量方程

。

式中，U為流體流速，m/s；z為位置基于某一基準(zhǔn)面的高度，m；為單位重力流體流過前后截面過程的機(jī)械能損失，J；dQ為單位體積流量，m3/s；g為重力加速度，m/s2。

4.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)建立的電機(jī)控制器IGBT散熱器三維幾何模型，對模型進(jìn)行多級網(wǎng)格劃分，由于散熱器翅片數(shù)量較多，為避免劃分網(wǎng)格后網(wǎng)格數(shù)量過大，增加計算成本，同時為盡可能保證計算精度，可對模型劃分非連續(xù)網(wǎng)格，翅片集中、流動參數(shù)變化較大處網(wǎng)格相對別處較密[18]，保證每個小翅片厚度方向上有兩到三個網(wǎng)格。非連續(xù)網(wǎng)格在交界面處采用多級網(wǎng)格劃分，邊界處網(wǎng)格呈現(xiàn)由密到疏的過程，可很好地捕捉變量梯度。劃分的網(wǎng)格總數(shù)約為110萬個，劃分結(jié)果及局部網(wǎng)格放大圖如圖5和圖6所示。

5 關(guān)鍵參數(shù)的確定

5.1 黑匣子層導(dǎo)熱系數(shù)確定

在熱仿真過程中，可通過對黑匣子層的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行一定范圍內(nèi)的逼近試算法穩(wěn)態(tài)模擬分析，同時通過試驗測得圖7中溫度測量點在相同工況下的最終穩(wěn)定溫度，將仿真結(jié)果與試驗測定結(jié)果進(jìn)行差值對比，尋找合適的黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)。

本文所進(jìn)行的溫升試驗研究風(fēng)冷散熱器在電機(jī)控制器箱體內(nèi)的位置如圖8所示。試驗臺由計算機(jī)、電源與控制系統(tǒng)、傳感器與信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集硬件和軟件、數(shù)值運算處理軟件、圖形顯示與操作軟件等組成。在電機(jī)控制器IGBT不同工作狀態(tài)下，通過IGBT本身的NTC熱敏電阻測試IGBT模塊熱源附近的溫度，記錄其工作之后直至溫度達(dá)到穩(wěn)定過程中各時刻溫度的變化情況。

IGBT廠家提供的芯片內(nèi)部溫度測量點共6個，在試驗過程中取其溫度最高值，溫度最高的測量點如圖7所示，與IGBT中間位置芯片y方向上相距13 mm，z方向上相距3 mm。由于試驗測量點與實際IGBT芯片結(jié)點有一定距離，IGBT廠商提供的試驗數(shù)據(jù)資料稱所測數(shù)值低于實際結(jié)溫10 ℃左右，即測量值再加上10 ℃，可認(rèn)為是測點最近的芯片結(jié)溫。試驗中選用了117CFM、70CFM兩種不同流量的軸流風(fēng)機(jī)，測點溫度讀數(shù)見表1。

在散熱器熱仿真中，改變黑匣子層的導(dǎo)熱系數(shù)，獲得的測點芯片結(jié)溫隨黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢如圖9所示。

對比仿真結(jié)果和試驗測量結(jié)果，經(jīng)過數(shù)次試算得出，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)為26 W/（m·℃）的時候，仿真獲得的對應(yīng)IGBT芯片穩(wěn)定溫度是：當(dāng)風(fēng)機(jī)流量為117CFM時為103.6 ℃，70CFM時為105.8 ℃，由于測試點溫度讀數(shù)需加上10 ℃才可認(rèn)為是芯片結(jié)溫，故表1中測點溫度讀數(shù)分別加上10 ℃，即104.8 ℃和107.5 ℃，與試驗測量值的誤差分別為1.2 ℃和1.7 ℃。據(jù)此，該款I(lǐng)GBT封裝層導(dǎo)熱系數(shù)可取26 W/（m·℃）。

5.2 風(fēng)機(jī)流量對散熱效果影響分析

在對所設(shè)計的新型散熱器進(jìn)行熱特性仿真之前，需要對設(shè)計的風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。本文選用兩個相同型號的風(fēng)機(jī)并聯(lián)，通過選擇不同空氣流量，進(jìn)行參數(shù)化CFD仿真計算，觀察在不同流量下IGBT測點芯片的最高溫度，如圖10所示。

由圖10可知，隨著風(fēng)機(jī)流量的增大，IGBT最高溫度呈下降趨勢，在流量超過0.035 m3/s時，熱源溫度可基本降到110 ℃之下，根據(jù)電機(jī)控制器IGBT正常工作要求，并參照風(fēng)機(jī)設(shè)計選型，最終選定軸流風(fēng)機(jī)流量為L=81CFM=0.038 23 m3/s。

6 仿真結(jié)果分析

6.1 邊界條件的設(shè)定

散熱器采用強(qiáng)制風(fēng)冷，環(huán)境空氣溫度設(shè)為20℃，散熱器模型材質(zhì)為鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)取209 W/（m·℃），密度為2 710 kg/m3；每個IGBT熱源在額定工況下的熱功耗為54.2 W；黑匣子導(dǎo)熱系數(shù)為26 W/（m·℃）；風(fēng)機(jī)流量取0.038 23 m3/s。

6.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)果分析

電機(jī)控制器IGBT在額定散熱功率下工作的時候，通過仿真得到各項穩(wěn)態(tài)結(jié)果，如圖11～14所示。

由圖11可知，在額定散熱功率下，IGBT熱源的最高溫度為110.520 ℃，低于所允許125 ℃的最大結(jié)溫，滿足其正常工作的溫度條件要求。

圖12和圖13分別為散熱器內(nèi)水平截面速度流場以及散熱器基板表面溫度分布狀況，可以看出其流場分布較均勻，基板表面最高溫度為68.661 ℃，能夠滿足基板最高溫度不超過85 ℃的要求。熱源相對集中區(qū)域同其它區(qū)域最大溫差為35 ℃左右。同時截取位于散熱器中間位置單個翅片的溫度分布（圖14），散熱器翅片上最高溫度為58.260 ℃，最大溫差為21 ℃左右。

6.3 瞬態(tài)結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析

為獲得IGBT芯片熱源與散熱器的溫度隨時間的變化情況，本文對散熱器進(jìn)行了額定工況下的瞬態(tài)仿真，按時間步長1 s獲得的300 s內(nèi)IGBT測點芯片溫度隨著時間的變化趨勢如圖15所示。

在額定工況下，熱源IGBT在開始工作后200 s內(nèi)，其測點芯片溫度呈線性上升趨勢，到200 s左右溫度逐漸趨于穩(wěn)定，最終達(dá)到110.520 ℃，同時可以看到前300 s內(nèi)其溫升是相對平穩(wěn)的。

試驗測量獲得的不同時刻IGBT測量點溫度如圖14中的試驗結(jié)果曲線所示?？梢钥闯觯煌瑫r刻溫度變化曲線與仿真所呈現(xiàn)的趨勢基本一致，IGBT芯片測點溫度在200 s之后逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定的溫度值為96.5 ℃，再加上由于測點與對應(yīng)芯片的距離而導(dǎo)致的溫度差為10 ℃，即可認(rèn)為試驗獲得IGBT對應(yīng)芯片結(jié)溫為106.5 ℃，與仿真結(jié)果相差3.8%。

7 結(jié)論

本文提出一種新型純電動汽車電機(jī)控制器IGBT用風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)方案，對IGBT熱源及所設(shè)計的新型風(fēng)冷散熱器建立了黑匣子模型，通過仿真與試驗結(jié)果的對比驗證，獲得了該款I(lǐng)GBT封裝層的熱參數(shù)，由此展開了該新型風(fēng)冷散熱器進(jìn)行CFD熱仿真，得到較為可靠的流體場及溫度場，同時對仿真結(jié)果分別進(jìn)行理論計算以及試驗驗證，可得到以下結(jié)論。

（1）所設(shè)計新型風(fēng)冷散熱器可以保證熱源結(jié)溫在125 ℃以下，散熱器基板溫度也在要求的85 ℃以下，說明該款散熱器滿足IGBT正常工作要求。

（2）在額定工況下，仿真所得到的IGBT熱源最高溫度高于理論計算結(jié)果7 ℃，高出實際試驗結(jié)果4 ℃，誤差分別為6.8%和3.8%，均在可接受范圍內(nèi)。

（3）從該新型風(fēng)冷散熱器工作狀況來看， IGBT散熱效果仍然有較大的提升空間。為了進(jìn)一步提高其工作穩(wěn)定性，可在后期的工作中對其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，如嘗試改變基板厚度、翅片厚度、間隙以及個數(shù)等，結(jié)合產(chǎn)品尺寸成本、技術(shù)指標(biāo)等方面的因素，優(yōu)化該款散熱器的結(jié)構(gòu)方案。

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