０引言

節能環保是當前汽車行業發展的主題,而發展電動汽車已成為汽車行業的共識?作為電動汽車的三大核心部件之一,驅動電機控制系統未來的發展趨勢是高功率密度?高度集成化?輕量化?而電機控制器中的功率模塊是提升驅動電機控制系統功率密度的關鍵器件?目前,混合動力汽車和純電動汽車的電力驅動控制系統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,傳統硅基功率器件在電壓阻斷能力?正向導通壓降?器件開關速度等方面已逼近甚至達到了其最大使用極限,尤其在高頻和高功率領域更顯示出局限性?SiC半導體材料作為新一代半導體材料,具有禁帶寬度大?熱導率高等優點,使用SiC半導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,可實現驅動電機控制系統功率密度的大幅提升?采用這種碳化硅功率模塊,工作時的開關頻率最高可達30kHz,導致發熱問題突出,開關損耗產生的熱量也會在瞬間大幅增加,因此需散熱能力更強?散熱效率更高的散熱器來進行快速散熱,滿足碳化硅控制器正常工作需要?

本文針對碳化硅控制器的高效散熱需求開發了一款碳化硅控制器用高效散熱器,重點介紹了該高效散熱器的結構和工藝設計方案,并通過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,最后通過制造樣機進行臺架測試,以驗證開發的高效散熱器的散熱效果? 

1 散熱器設計與應用

1.1 散熱器結構設計

開發的高效散熱器結構如圖1(a)所示,整個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個相同的散熱板組成?將4個散熱板并列組合在一起,相鄰2個散熱板間采用O型圈進行密封,就組成一個完整的高效散熱器?該散熱器共有4個并聯的散熱通道,散熱器中間有3個長方形空隙,供安裝模塊?散熱板結構和制造工藝如圖1(b)所示,每個散熱板都由上蓋板?散熱片和下蓋板組成,散熱片填裝在下蓋板中間的長方形凹槽里,然后上蓋板?散熱片和下蓋板通過一體化真空釬焊成為一個完整的散熱板?

碳化硅功率模塊與散熱器的裝配結構如圖2所示?碳化硅功率模塊疊層排列裝配在散熱器中間的3個長方形空隙中,接觸面位置涂抹導熱硅脂填充縫隙?幾層散熱板通過固定螺桿進行散熱器自身初步預壓緊后,再通過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,碳化硅控制器的冷卻液首先從散熱器的入口流入,然后分別進入4個并聯的散熱通道對碳化硅功率模塊進行兩面散熱,最后匯集到散熱器的出口,完成對整個碳化硅控制器功率模塊的雙面冷卻?

 

1.2 散熱器應用

高效散熱器相較傳統的單面散熱方式,可對碳化硅功率模塊兩個面同時進行散熱,散熱面積和散熱效率都有大幅提升?為了進一步研究該散熱器的實際散熱效果,應用該高效散熱器開發了一款碳化硅控制器樣機(結構如圖3所示)?該碳化硅控制器主要包括進水管?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,連接處導電性能好,避免了螺栓連接的松動風險?設計的碳化硅控制器同時與減速器?負載電機集成后裝配為一個三合一電驅動系統,如圖4所示?減速器與負載電機的前端固定;碳化硅控制器固定在負載電機正上方,散熱水道與負載電機水道連通,進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;電機進水管與碳化硅控制器出水管通過一個軟管直接連接?這樣整個三合一電驅動系統就形成了一個完整的散熱水道?

 

1.3 散熱器仿真

設計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溫升最高?為了研究該散熱器的散熱效果,需對設計的碳化硅控制器在峰值工況下的功率模塊瞬時溫升進行有限元熱仿真,進而研究碳化硅功率模塊內部芯片的溫度分布?

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期使用溫度在175℃以上,因此可滿足長期使用要求?由此可見,本文開發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

為了進一步驗證開發的高效散熱器的散熱效果,對應用本散熱器開發的碳化硅控制器進行臺架測試,搭配的負載電機為永磁同步電機,峰值功率為120kW,峰值扭矩為300N·m?為了方便裝配,臺架測試時將三合一搭配的減速器去掉,只保留碳化硅控制器和負載電機?將碳化硅控制器冷卻液入口溫度調整為65℃,水流量控制在8L/min,開關頻率設定為10kHz,模塊峰值電流為460A,然后對碳化硅控制器的功率模塊在峰值工況下的溫升進行測試?臺架測試環境如圖6所示?

測試峰值溫升持續時間為28s,峰值工況下碳化硅功率模塊測試溫升結果如圖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定在70℃,推算芯片的溫度不會超過110℃,遠小于碳化硅控制器功率模塊芯片的使用最高溫度,開發的高效散熱器的散熱效果優良?

3 結語

本文針對碳化硅控制器高效散熱的需求開發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構和工藝設計方案,應用該散熱器開發了一款碳化硅控制器,并通過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?最后通過制造碳化硅控制器樣機進行臺架測試,結果表明開發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構,可通過增加中間散熱板的數量來擴展散功率模塊的使用數量,從而實現多個功率模塊并聯輸出,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用價值?

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