０引言

節(jié)能環(huán)保是當(dāng)前汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的主題,而發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)已成為汽車(chē)行業(yè)的共識(shí)?作為電動(dòng)汽車(chē)的三大核心部件之一,驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是高功率密度?高度集成化?輕量化?而電機(jī)控制器中的功率模塊是提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)功率密度的關(guān)鍵器件?目前,混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)用的功率模塊主要是硅(Si)基功率器件?然而,受到材料本身的限制,傳統(tǒng)硅基功率器件在電壓阻斷能力?正向?qū)▔航?/span>?器件開(kāi)關(guān)速度等方面已逼近甚至達(dá)到了其最大使用極限,尤其在高頻和高功率領(lǐng)域更顯示出局限性?SiC半導(dǎo)體材料作為新一代半導(dǎo)體材料,具有禁帶寬度大?熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn),使用SiC半導(dǎo)體材料制造的碳化硅功率模塊便具有了高溫?高效和高頻的特性,可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)功率密度的大幅提升?采用這種碳化硅功率模塊,工作時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率最高可達(dá)30kHz,導(dǎo)致發(fā)熱問(wèn)題突出,開(kāi)關(guān)損耗產(chǎn)生的熱量也會(huì)在瞬間大幅增加,因此需散熱能力更強(qiáng)?散熱效率更高的散熱器來(lái)進(jìn)行快速散熱,滿足碳化硅控制器正常工作需要?

本文針對(duì)碳化硅控制器的高效散熱需求開(kāi)發(fā)了一款碳化硅控制器用高效散熱器,重點(diǎn)介紹了該高效散熱器的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)方案,并通過(guò)有限元熱仿真探討了該散熱器在碳化硅控制器中的散熱效果,最后通過(guò)制造樣機(jī)進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試,以驗(yàn)證開(kāi)發(fā)的高效散熱器的散熱效果? 

1 散熱器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1.1 散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)發(fā)的高效散熱器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,整個(gè)散熱器由第一散熱板?中間散熱板和第二散熱板組成,中間散熱板由2個(gè)相同的散熱板組成?將4個(gè)散熱板并列組合在一起,相鄰2個(gè)散熱板間采用O型圈進(jìn)行密封,就組成一個(gè)完整的高效散熱器?該散熱器共有4個(gè)并聯(lián)的散熱通道,散熱器中間有3個(gè)長(zhǎng)方形空隙,供安裝模塊?散熱板結(jié)構(gòu)和制造工藝如圖1(b)所示,每個(gè)散熱板都由上蓋板?散熱片和下蓋板組成,散熱片填裝在下蓋板中間的長(zhǎng)方形凹槽里,然后上蓋板?散熱片和下蓋板通過(guò)一體化真空釬焊成為一個(gè)完整的散熱板?

碳化硅功率模塊與散熱器的裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示?碳化硅功率模塊疊層排列裝配在散熱器中間的3個(gè)長(zhǎng)方形空隙中,接觸面位置涂抹導(dǎo)熱硅脂填充縫隙?幾層散熱板通過(guò)固定螺桿進(jìn)行散熱器自身初步預(yù)壓緊后,再通過(guò)板簧配合楔形滑塊給散熱器的每層散熱板表面施加900N左右的壓緊力,以確保散熱器表面與碳化硅功率模塊上下表面緊密貼合?工作時(shí),碳化硅控制器的冷卻液首先從散熱器的入口流入,然后分別進(jìn)入4個(gè)并聯(lián)的散熱通道對(duì)碳化硅功率模塊進(jìn)行兩面散熱,最后匯集到散熱器的出口,完成對(duì)整個(gè)碳化硅控制器功率模塊的雙面冷卻?

 

1.2 散熱器應(yīng)用

高效散熱器相較傳統(tǒng)的單面散熱方式,可對(duì)碳化硅功率模塊兩個(gè)面同時(shí)進(jìn)行散熱,散熱面積和散熱效率都有大幅提升?為了進(jìn)一步研究該散熱器的實(shí)際散熱效果,應(yīng)用該高效散熱器開(kāi)發(fā)了一款碳化硅控制器樣機(jī)(結(jié)構(gòu)如圖3所示)?該碳化硅控制器主要包括進(jìn)水管?薄膜電容?三相輸出組件?箱體?出水管?散熱器組件?輸入組件等?

該碳化硅功率模塊上端的輸入端子通過(guò)激光焊接與薄膜電容輸出端子連接,模塊輸出端子與三相輸出組件里的銅排激光焊接,這種焊接方式牢固可靠,連接處導(dǎo)電性能好,避免了螺栓連接的松動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)?設(shè)計(jì)的碳化硅控制器同時(shí)與減速器?負(fù)載電機(jī)集成后裝配為一個(gè)三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),如圖4所示?減速器與負(fù)載電機(jī)的前端固定;碳化硅控制器固定在負(fù)載電機(jī)正上方,散熱水道與負(fù)載電機(jī)水道連通,進(jìn)水管直接連通高效散熱器的入水口,出水管直接連通高效散熱器的出水口;電機(jī)進(jìn)水管與碳化硅控制器出水管通過(guò)一個(gè)軟管直接連接?這樣整個(gè)三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就形成了一個(gè)完整的散熱水道?

 

1.3 散熱器仿真

設(shè)計(jì)的碳化硅控制器的峰值輸出功率為120kW,功率模塊在峰值工況輸出情況下的瞬時(shí)溫升最高?為了研究該散熱器的散熱效果,需對(duì)設(shè)計(jì)的碳化硅控制器在峰值工況下的功率模塊瞬時(shí)溫升進(jìn)行有限元熱仿真,進(jìn)而研究碳化硅功率模塊內(nèi)部芯片的溫度分布?

碳化硅控制器散熱水道模型如圖5(a)所示,碳化硅功率模塊峰值工況溫升如圖5(b)所示?由此可知,在峰值工況下,碳化硅功率模塊的芯片最高溫度為134.2℃,而碳化硅功率模塊長(zhǎng)期使用溫度在175℃以上,因此可滿足長(zhǎng)期使用要求?由此可見(jiàn),本文開(kāi)發(fā)的高效散熱器具有很好的散熱效果,可滿足碳化硅控制器本身的散熱需求?

 

2 控制器溫升試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證開(kāi)發(fā)的高效散熱器的散熱效果,對(duì)應(yīng)用本散熱器開(kāi)發(fā)的碳化硅控制器進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試,搭配的負(fù)載電機(jī)為永磁同步電機(jī),峰值功率為120kW,峰值扭矩為300N·m?為了方便裝配,臺(tái)架測(cè)試時(shí)將三合一搭配的減速器去掉,只保留碳化硅控制器和負(fù)載電機(jī)?將碳化硅控制器冷卻液入口溫度調(diào)整為65℃,水流量控制在8L/min,開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為10kHz,模塊峰值電流為460A,然后對(duì)碳化硅控制器的功率模塊在峰值工況下的溫升進(jìn)行測(cè)試?臺(tái)架測(cè)試環(huán)境如圖6所示?

測(cè)試峰值溫升持續(xù)時(shí)間為28s,峰值工況下碳化硅功率模塊測(cè)試溫升結(jié)果如圖7所示?由此可知,在峰值工況下碳化硅功率模塊的溫度傳感器最高溫度穩(wěn)定在70℃,推算芯片的溫度不會(huì)超過(guò)110℃,遠(yuǎn)小于碳化硅控制器功率模塊芯片的使用最高溫度,開(kāi)發(fā)的高效散熱器的散熱效果優(yōu)良?

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)碳化硅控制器高效散熱的需求開(kāi)發(fā)了一款碳化硅控制器用高效散熱器,介紹了該高效散熱器的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)方案,應(yīng)用該散熱器開(kāi)發(fā)了一款碳化硅控制器,并通過(guò)有限元熱仿真研究了該散熱器在碳化硅控制器中的散熱效果?最后通過(guò)制造碳化硅控制器樣機(jī)進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試,結(jié)果表明開(kāi)發(fā)的高效散熱器具有良好的散熱效果,滿足碳化硅控制器的散熱需求?另外,使用這種層疊式高效散熱器結(jié)構(gòu),可通過(guò)增加中間散熱板的數(shù)量來(lái)擴(kuò)展散功率模塊的使用數(shù)量,從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)功率模塊并聯(lián)輸出,大幅提高了碳化硅控制器的輸出功率和功率密度,具有較重要的工程應(yīng)用價(jià)值?

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