電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)控制器水冷散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

唐忠健，屈凡林，李海波，陶 浪，李 磊，陰曉峰

（西華大學(xué)汽車工程研究所,四川 成都 610039）

絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolartransistor，IGBT）模塊是電動(dòng)汽車電機(jī)控制器的核心驅(qū)動(dòng)部件。在電機(jī)控制器工作過程中，IGBT 模塊不斷地開啟與關(guān)閉，產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗將導(dǎo)致內(nèi)部芯片溫度升高，若溫度過高會(huì)嚴(yán)重影響其性能和可靠性，因此需要為IGBT 模塊設(shè)計(jì)合適的散熱器。

散熱器的散熱方式分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流方式[1]。自然對(duì)流技術(shù)較為成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但散熱效果一般，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，壽命較短。強(qiáng)迫對(duì)流散熱能夠更快地帶走熱量，散熱效果更好，并且不會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，但缺點(diǎn)是制造成本較高?？紤]到IGBT 模塊是電動(dòng)汽車電機(jī)控制器的核心部件，正常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大溫升，因此本文采用強(qiáng)迫對(duì)流方式的IGBT 模塊水冷散熱器。

在IGBT 模塊水冷散熱器研究方面，眾多學(xué)者已開展大量工作。在散熱器結(jié)構(gòu)、形狀方面，文獻(xiàn)[2]研究了采用直接液體冷卻IGBT 功率模塊的熱效應(yīng)，將微通道冷板直接與基板和有限的熱界面材料結(jié)合，熱仿真結(jié)果表明使用微通道冷板進(jìn)行直接液體冷卻可以有效降低IGBT 功率模塊的熱阻，同時(shí)減小散熱器尺寸。文獻(xiàn)[3]提出一種叉排針柱多種間隙布置的水冷散熱器，采用ANSYS Icepak仿真軟件進(jìn)行基于數(shù)值模擬的熱仿真。結(jié)果表明，在相同流速條件下，對(duì)比普通叉排針柱散熱器，叉排針柱多種間隙布置的水冷散熱器散熱性能較好。文獻(xiàn)[4]針對(duì)目前CRH2 型高速動(dòng)車機(jī)組變流器中所用的大功率IGBT 模塊，設(shè)計(jì)了4 種動(dòng)車組牽引變流器用高效散熱器，并進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）模擬，選出最優(yōu)散熱器模型并進(jìn)行二次優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的散熱器能很好地滿足散熱要求。文獻(xiàn)[5]基于數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究方法，對(duì)IGBT 液冷散熱器的性能進(jìn)行研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將結(jié)果與HXD1C機(jī)車、HXD2B 機(jī)車使用的散熱器進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明對(duì)稱的雙面冷卻結(jié)構(gòu)能提高IGBT 安裝面的均溫性并減少安裝空間。文獻(xiàn)[6]通過數(shù)值仿真以及熱性能試驗(yàn)方法，分析界面氣隙對(duì)IGBT 模塊結(jié)溫和殼溫的影響，結(jié)果表明：在硅脂氣隙產(chǎn)生的初期，氣隙對(duì)IGBT 結(jié)溫的影響較小，隨著氣隙擴(kuò)大，會(huì)使結(jié)溫明顯升高，導(dǎo)致IGBT 模塊壽命降低，甚至使IGBT 模塊迅速損壞。文獻(xiàn)[7]提出一種新穎的具有雙面冷卻（DSC）幾何形狀的IGBT 封裝，證明了DSC 幾何形狀在電氣和熱性能方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的單側(cè)冷卻（SSC）幾何形狀。文獻(xiàn)[8]通過比較和分析是否帶有泄壓槽的3 個(gè)分支的流量分布，發(fā)現(xiàn)泄壓槽方法可以有效地調(diào)節(jié)3 個(gè)分支的壓力和流量。文獻(xiàn)[9]提出了一種在變頻器關(guān)閉過程中用測(cè)得的結(jié)溫冷卻曲線來確定IGBT 熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的方法，研究了結(jié)溫曲線的時(shí)間常數(shù)與熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間的關(guān)系。在熱阻估算以及熱分析方面，文獻(xiàn)[10]以純電動(dòng)汽車電機(jī)控制器為研究對(duì)象，結(jié)合傳熱學(xué)基本原理，提出了一種水冷散熱器熱阻估算方法，并驗(yàn)證了方法的有效性。文獻(xiàn)[11]為獲得水冷散熱器的散熱能力，在不同流量下，從理論上對(duì)水冷散熱器的散熱熱阻進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算，利用對(duì)稱性原理對(duì)散熱器模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理并通過CFD 進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果高度吻合。文獻(xiàn)[12]提出利用T-Q特性曲線進(jìn)行熱流體模擬的方法，以預(yù)測(cè)IGBT 模塊的結(jié)溫和散熱塊的氣流速率。

上述研究主要集中在散熱器結(jié)構(gòu)、形狀、熱阻估算以及熱分析等方面，未考慮對(duì)散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。本文針對(duì)某電動(dòng)汽車用45 kW 永磁同步電機(jī)控制器，在對(duì)IGBT 模塊熱損耗估算、水冷散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱性能影響因素分析的基礎(chǔ)上，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)該散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及冷卻液最佳流速進(jìn)行優(yōu)化，從而降低電機(jī)控制器IGBT 模塊的工作溫度，提高散熱器性能。

1 IGBT 模塊熱損耗估算

IGBT 模塊由IGBT 芯片與續(xù)流二極管兩部分組成，IGBT 模塊的熱損耗也主要由兩者產(chǎn)生[13]。IGBT 模塊工作時(shí)，熱損耗由4 部分組成，分別是IGBT 芯片與續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。

1.1 IGBT 芯片的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗

1）導(dǎo)通損耗。IGBT 模塊在正常導(dǎo)通狀態(tài)下，電流通過時(shí)飽和壓降產(chǎn)生的損耗，即為導(dǎo)通損耗，可由下式計(jì)算：

式中：Psat-I為IGBT 的導(dǎo)通損耗，W；VCE(sat)為IGBT壓降，V；ICP為集電極導(dǎo)通電流，A；τ 為IGBT 占空比。

2）開關(guān)損耗。IGBT 控制極收到控制信號(hào)時(shí)，對(duì)電路進(jìn)行開關(guān)操作所產(chǎn)生的能量損耗，即為開關(guān)損耗，由電路接通與斷開兩部分損耗組成，計(jì)算公式如下：

式中：Psw-I為IGBT 的開關(guān)損耗，W；fPWM為PWM開關(guān)頻率，kHz；E(on)為IGBT 導(dǎo)通時(shí)損失的能量，mJ；E(off)為IGBT 關(guān)斷時(shí)損失的能量，mJ。

1.2 續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗

1）導(dǎo)通損耗。

式中：Psat-F為二極管導(dǎo)通損耗，W；VF(sat)為續(xù)流二極管壓降，V；τF為二極管占空比。

2）開關(guān)損耗。

式中：Erec為二極管反向恢復(fù)損耗，mJ；Psw-F為二極管開關(guān)損耗，W。

1.3 IGBT 模塊總損耗

本文選用的IGBT 模塊為英飛凌FF450R12ME4，每個(gè)IGBT 模塊中含有兩個(gè)IGBT 芯片和兩個(gè)續(xù)流二極管，故單個(gè)IGBT 模塊的總損耗為

由于永磁同步電機(jī)要求其峰值輸出電流為225.4 A，考慮到適當(dāng)?shù)碾娏髟６?，設(shè)定ICP為230 A。IGBT 壓降VCE(sat)為1.42 V，續(xù)流二極管壓降VF(sat)為1.25 V；IGBT 占空比τ 取0.8，二極管占空比τF取0.2；IGBT 開通時(shí)損失的能量E(on)為17 mJ，斷開時(shí)損失的能量E(off)為33 mJ；fPWM為10 kHz，二極管反向恢復(fù)損耗Erec為40 mJ。通過計(jì)算可得IGBT 導(dǎo)通損耗Psat-I為261.3 W，開關(guān)損耗Psw-1為500 W；續(xù)流二極管導(dǎo)通損耗Psat-F為57.5 W，開關(guān)損耗Psw-F為400 W。因此，IGBT 模塊總損耗Pt為2 437.6 W。

2 散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

散熱器材料選用6 061 鋁合金，以使其具有足夠的強(qiáng)度、抗腐蝕能力和良好的導(dǎo)熱性能。

散熱器采用平直肋片式，由基板和固定在基板上的平直肋片組成（如圖1 所示）。為達(dá)到更好的散熱效果，在散熱器水道內(nèi)增加擾流柱，以增加散熱器與冷卻液的接觸面積，提高散熱性能。

圖1 平直肋片式示意圖

根據(jù)IGBT 模塊尺寸以及散熱器在控制器內(nèi)部的空間限制，可確定散熱器的大致尺寸以及IGBT 模塊在散熱器基板上的布置形式。為了使熱量能被冷卻液充分帶走，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能讓IGBT 模塊被下方的水道覆蓋。熱功耗與基板厚度之間的計(jì)算公式[14]如下：

式中：H為包括IGBT 模塊中PCB 板與焊層以及鋁基板的厚度，mm；Pt為IGBT 模塊的熱損耗，kW。計(jì)算可得H為15.6 mm。實(shí)際的基板厚度僅包括鋁基板厚度，去除PCB 板與焊層厚度后初步確定鋁基板實(shí)際厚度Ht為10 mm。

IGBT 模塊尺寸為152 mm×62 mm×17 mm。散熱器模型如圖2 所示，整體尺寸為238 mm×272 mm×25 mm。散熱器一側(cè)開有2 個(gè)直徑為10 mm的冷卻液進(jìn)出口，每塊IGBT 模塊下方設(shè)置兩條水道。散熱器與電機(jī)控制器集成在一起，散熱器基板與電機(jī)控制器殼體共同構(gòu)成散熱器整體。散熱器內(nèi)部冷卻液流動(dòng)示意圖如圖3 所示，冷卻液分別從散熱器的2 個(gè)開口流入和流出，以帶走熱量。在熱分析過程中，IGBT 模塊僅作為熱源，可將熱分析模型簡(jiǎn)化為由IGBT 模塊、散熱器及冷卻液進(jìn)出口3 部分組成。

圖2 散熱器三維模型

圖3 散熱器流動(dòng)示意圖

肋片結(jié)構(gòu)示意如圖4 所示。參考文獻(xiàn)[15]與[16]中平直肋片散熱器的設(shè)計(jì)方案為取平直肋片角度3°，初取肋片間距4 mm。表1 所示為肋片尺寸參考值[14]。根據(jù)初步確定的基板厚度Ht，可按表1 確定肋片高度h和肋片厚度t的合適范圍。

圖4 肋片結(jié)構(gòu)示意圖

表1 平直肋片尺寸參考值

3 散熱器熱分析

利用SOLIDWORKS 建立散熱器的三維模型(如圖2 所示)并進(jìn)行熱分析。

3.1 散熱器仿真條件

散熱器模型仿真條件設(shè)置如表2 所示。

表2 散熱器仿真條件

3.2 散熱性能影響因素分析

由于冷卻液流速、肋片高度、肋片厚度、肋片間距、擾流柱類型和基板厚度均可能對(duì)散熱性能產(chǎn)生影響，故采用控制變量法分別分析各因素對(duì)散熱性能的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置各因素的基準(zhǔn)值，冷卻液流速取3 m/s，肋片高度取13 mm，肋片厚度取2 mm，肋片間距取3.8 mm，擾流柱類型取為圓形，基板厚度取9 mm。每次只改變其中一個(gè)因素，其他因素保持不變，依次分析每一因素對(duì)散熱性能的影響。

冷卻液流速以1 m/s 為步長(zhǎng)在2～5 m/s 范圍內(nèi)變化，其他因素保持不變，分別進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5 所示。由圖可知，隨著冷卻液流速的逐漸增加，IGBT 模塊的最高溫度逐漸下降，在流速變化范圍內(nèi)溫度降幅達(dá)到25.16 ℃。

圖5 冷卻液流速對(duì)最高溫度的影響

肋片高度以1 mm 為步長(zhǎng)在12～15 mm 范圍內(nèi)變化，其他因素保持不變，分別進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6 所示。由圖可知，肋片高度與最高溫度呈負(fù)相關(guān)，在肋片高度變化范圍內(nèi)溫度變化幅度為3.16 ℃。

圖6 肋片高度對(duì)最高溫度的影響

肋片厚度以0.2 mm 為步長(zhǎng)在1.8～2.4 mm 范圍內(nèi)變化，其他因素保持不變，仿真結(jié)果如圖7 所示。由圖可知，IGBT 模塊的最高溫度隨著肋片厚度的增加呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，降幅為2.48 ℃。

圖7 肋片厚度對(duì)最高溫度的影響

肋片間距以0.2 mm 為步長(zhǎng)在3.6～4.2 mm 范圍變化，其他因素保持不變，仿真結(jié)果如圖8 所示。由圖可知，隨著肋片間距的增加，散熱器的散熱性能降低，IGBT 模塊最高溫度增幅為2.1 ℃。

圖8 肋片間距對(duì)最高溫度的影響

在擾流柱橫截面面積相等的情況下，選取菱形、圓形、橢圓形、正方形4 種不同截面形狀，其他因素保持不變，仿真結(jié)果如圖9 所示。由圖可知，不同類型的擾流柱對(duì)散熱器性能存在一定的影響?；搴穸纫? mm 為步長(zhǎng)在9～12 mm 范圍內(nèi)變化，其他因素保持不變，仿真結(jié)果如圖10 所示。由圖可知，隨著基板厚度的逐漸增加，IGBT 模塊最高溫度也隨之增加，在基板厚度變化范圍內(nèi)增幅為1.9 ℃。

圖9 擾流柱類型對(duì)最高溫度的影響

圖10 基板厚度對(duì)最高溫度的影響

由以上仿真分析可知，冷卻液流速、肋片高度、肋片厚度、肋片間距、擾流柱形狀、基板厚度均會(huì)影響散熱性能，因此需要對(duì)這些因素進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最佳的散熱效果。

4 散熱器參數(shù)優(yōu)化

采用正交實(shí)驗(yàn)法，對(duì)冷卻液流速、擾流柱類型、肋片高度、肋片厚度、肋片間距以及基板厚度6 個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化。因素水平表如表3 所示，表中因素A、B、C、D、E、F 分別對(duì)應(yīng)流速（m/s）、肋片高度（mm）、肋片厚度（mm）、肋片間距（mm）、擾流柱類型、基板厚度（mm）。由于正方形擾流柱相比于其他3 種形狀擾流柱，會(huì)使IGBT 最高溫度大幅上升，因此擾流柱類型優(yōu)化中不考慮正方形。由影響因素分析可以看出，冷卻液流速對(duì)溫度影響很大，因此冷卻液流速設(shè)置6 個(gè)水平，其余參數(shù)均設(shè)置3 個(gè)水平，流速以1 m/s 為步長(zhǎng)，變化范圍為1～6 m/s[12]，其他數(shù)據(jù)以參考值為基準(zhǔn)浮動(dòng)[14]。

表3 因素水平表

采用Minitab 統(tǒng)計(jì)軟件生成混合型正交實(shí)驗(yàn)表，如表4 所示。水平A1 到A6 代表不同流速；B1、B2、B3 表示不同肋片高度；C1、C2、C3 表示不同肋片厚度；D1、D2、D3 表示不同肋片間距；E1、E2、E3 表示不同擾流柱類型；F1、F2、F3 表示不同基板厚度。表4 中各水平的具體值可從表3獲得。

表4 正交實(shí)驗(yàn)表

針對(duì)表4 確定的每一種方案，分別進(jìn)行熱仿真，可得到IGBT 模塊最高溫度與散熱器流體壓降。IGBT 模塊最高溫度越低，流體壓降越小，則散熱器綜合性能越好。對(duì)二者分別進(jìn)行歸一化，按權(quán)重各取0.5 進(jìn)行加權(quán)求和作為綜合性能指標(biāo)。各方案仿真及計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 指標(biāo)歸一化及綜合性能指標(biāo)

從表5 可以看出：方案9 的綜合性能指標(biāo)最小，為0.244 35；方案10 的綜合性能指標(biāo)與方案9 很接近，但其流體壓降接近方案9 的2 倍，故選擇方案9 為最佳方案，即冷卻液流速3 m/s，肋片高度15 mm，肋片厚度2 mm，肋片間距4.2 mm，基板厚度9 mm，擾流柱選用橢圓形。

圖11 為優(yōu)化前散熱器IGBT 模塊最高溫度與流體壓降分布云圖。該方案散熱器的結(jié)構(gòu)及形狀參數(shù)取基準(zhǔn)值，IGBT 模塊最高溫度為102.76 ℃。最佳方案對(duì)應(yīng)IGBT 模塊最高溫度與流體壓降分布云圖如圖12 所示，IGBT 模塊最高溫度為73.79 ℃，遠(yuǎn)低于IGBT 模塊中PN 節(jié)的最高耐溫150 ℃[17]。優(yōu)化后最高溫度下降28.97 ℃，可確保IGBT 模塊的使用壽命。

圖11 優(yōu)化前溫度與壓降分布云圖

圖12 最佳方案溫度與壓降分布云圖

5 結(jié)論

本文以降低某電動(dòng)汽車45 kW 永磁同步電機(jī)控制器IGBT 模塊工作溫度為目標(biāo)進(jìn)行散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先對(duì)IGBT 模塊熱損耗進(jìn)行估算，然后設(shè)計(jì)內(nèi)流道帶有平直肋片與擾流柱的水冷散熱器，通過熱仿真分析影響散熱性能的主要因素，采用正交實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)對(duì)冷卻液流速和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的仿真實(shí)驗(yàn)方案，通過對(duì)各方案仿真結(jié)果的對(duì)比分析，確定了冷卻液流速和結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳方案。該方案能在確保流體壓降適當(dāng)?shù)那疤嵯?，降低IGBT模塊的最高溫度，滿足電機(jī)控制器的散熱需求。