電動(dòng)汽車載逆變電源IGBT 散熱設(shè)計(jì)

于士軍

（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 德州 253000）

前言

電動(dòng)汽車作為新能源汽車的代表，其應(yīng)用日益廣泛。作為傳統(tǒng)能源汽車的替代方案，不僅僅在于能源的使用和環(huán)保方面，在車載電子設(shè)備上，也有著很大程度的提升。逆變電源作為隨車筆記本等電器的動(dòng)力之源，其穩(wěn)定性直接影響到出行和工作。作為大功率元器件，IGBT 的發(fā)熱量非常大，如果不做好散熱工作，直接影響到電器設(shè)備的正常安全使用。對(duì)于大功率IGBT 等電子元器件，強(qiáng)制風(fēng)冷散熱具有良好的散熱效果，具體包括擁有較大散熱面積的型材散熱器，配合大風(fēng)量風(fēng)機(jī)，并設(shè)計(jì)合理的參數(shù)，同時(shí)注重風(fēng)道設(shè)計(jì)，效果更加理想。

1 產(chǎn)生熱量的原因

1.1 功率損耗

功率損耗是由三個(gè)部分組成的，具體包括：工作時(shí)由于電阻的存在而引起的導(dǎo)通損耗；電流中斷時(shí)的斷態(tài)損耗以及IGBT 開(kāi)關(guān)和斷開(kāi)時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。其中斷態(tài)損耗相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小。電動(dòng)汽車載逆變電源的功率從150W 至3000W 不等，其產(chǎn)生的功率損耗也是不盡相同，但不管功率大小，其由于功率損耗產(chǎn)生的熱量都需要及時(shí)排出，以保障逆變電源正常工作。所以功率損耗是作為散熱設(shè)計(jì)一個(gè)主要的考慮因素。

1.2 熱阻

所謂的熱阻就是指電器設(shè)備在工作時(shí)，為了保證散熱，安裝有散熱器，熱量從開(kāi)關(guān)元件通過(guò)熱傳遞到達(dá)散熱器，從散熱器通過(guò)相應(yīng)風(fēng)道涌向機(jī)箱散熱口的過(guò)程中，受到的由于結(jié)構(gòu)等因素導(dǎo)致的阻力。例如，風(fēng)道產(chǎn)生的熱阻，散熱器產(chǎn)生的熱阻，芯片產(chǎn)生的熱阻等。在進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)時(shí)，散熱器是主要的研究對(duì)象，所以對(duì)于散熱器熱阻，是進(jìn)行散熱器參數(shù)確定的一個(gè)重要考慮因素。熱阻越小，散熱效果就越好，應(yīng)該盡量讓散熱器的熱阻值小一些。

2 車載逆變電源散熱設(shè)計(jì)

逆變電源產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)、空氣對(duì)流和熱輻射的方式進(jìn)行傳遞。逆變電源中的主要熱源-開(kāi)關(guān)元件IGBT 產(chǎn)生的熱量，通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞給散熱器，散熱器熱輻射與空氣，再借助風(fēng)扇產(chǎn)生的空氣對(duì)流從散熱口散發(fā)到空氣中。所以散熱設(shè)計(jì)包括散熱方式、散熱器的設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)的選擇及風(fēng)道設(shè)計(jì)等。

2.1 散熱方式的選擇

一種方式為水冷。IGBT 的基板帶銅，通過(guò)典型的三明治結(jié)構(gòu)，將IGBT 產(chǎn)生的熱量經(jīng)過(guò)各種導(dǎo)熱層和導(dǎo)熱硅脂最終傳遞給水冷散熱系統(tǒng)。這種方式相對(duì)來(lái)說(shuō)工藝比較簡(jiǎn)單，技術(shù)也比較成熟，但熱阻比較大，散熱效果一般，最關(guān)鍵的是結(jié)構(gòu)大而笨重。后續(xù)的中車時(shí)代電氣所研制的采用集成針翅基板可以直接與冷卻液接觸的集成結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單、散熱效果也較好，但成本較高，生產(chǎn)加工工藝復(fù)雜。富士電機(jī)生產(chǎn)的基于M651/652 芯片的散熱系統(tǒng)，其特點(diǎn)為散熱器是將水冷針翅銅基板集成為一體式，冷卻效果不錯(cuò)，但同樣面臨著成本高，加工困難的問(wèn)題。

強(qiáng)制風(fēng)冷散熱技術(shù)由于其技術(shù)成熟可靠，成本較低，所以應(yīng)用較為廣泛，尤其是中、大功率電力電子元器件，對(duì)于強(qiáng)調(diào)性價(jià)比的國(guó)產(chǎn)電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，強(qiáng)制風(fēng)冷是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方案。其基本工作原理為IGBT 產(chǎn)生的熱量通過(guò)封裝殼體及導(dǎo)熱硅脂通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞到散熱器，散熱器通過(guò)熱輻射與對(duì)流的傳遞方式將熱量與外界空氣進(jìn)行熱交換。

2.2 強(qiáng)制風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)

強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)雖然比較簡(jiǎn)單，但是為了使散熱效果達(dá)到最佳，選用時(shí)要對(duì)散熱器參數(shù)、風(fēng)機(jī)參數(shù)及空氣流動(dòng)情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，盡量減小散熱器的熱阻。

（1）散熱器設(shè)計(jì)

圖1 散熱器模型

散熱器的基板厚度、散熱器高度、翅片數(shù)量及翅片的厚度是影響熱阻的主要因素。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基板厚度增加時(shí)，散熱器的熱阻先減小后增加。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)基板厚度為2.5mm 比較合理。實(shí)驗(yàn)表明，散熱器的高度增加時(shí)，熱阻減小，但高度過(guò)高時(shí)，影響風(fēng)道散熱效果，所以較理想高度為10cm。通過(guò)對(duì)翅片厚度進(jìn)行仿真及實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)翅片厚度逐漸增加時(shí)，散熱效果逐漸變好，熱阻減小，但當(dāng)厚度增加到一定值時(shí)，由于總尺寸是一定的，厚度增加了，翅片數(shù)量就減少了，所以散熱效果就會(huì)變差，所以翅片厚度1mm比較理想。綜合來(lái)看，基片不能太厚，翅片不能太厚數(shù)量亦不能過(guò)多，否則都會(huì)影響到風(fēng)道，進(jìn)而影響到熱阻。導(dǎo)熱硅膠也是必不可少的，可以有效減小熱值。散熱器模型如圖1所示。

（2）風(fēng)機(jī)

若想提高空氣對(duì)流速度，可以選用更大尺寸或更高轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)。實(shí)驗(yàn)選用轉(zhuǎn)速在3000r/min 以上，風(fēng)量在90CFM 以上的風(fēng)機(jī)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)可以很好地建立對(duì)流風(fēng)道，對(duì)流速度較快，散熱效果良好。

（3）風(fēng)道設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)幾種不同的風(fēng)道方案分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第一種方案為將風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流與散熱器平行，不會(huì)產(chǎn)生較明顯的紊流，所以熱阻較大。第二種，通過(guò)引流板將風(fēng)機(jī)氣流引向散熱器，由于會(huì)產(chǎn)生一定的紊流，所以散熱效果明顯優(yōu)于第一種。第三種為將風(fēng)機(jī)直接面向散熱器工作，氣流與散熱器碰撞，會(huì)產(chǎn)生劇烈的紊流，散熱效果很好，同時(shí)，應(yīng)保證經(jīng)過(guò)散熱器的氣流能較少遮擋地排出機(jī)體，這樣可以保證一定的氣流速度，熱阻較低。

實(shí)驗(yàn)研究表明，保持散熱器和風(fēng)機(jī)的參數(shù)不變的情況下，合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)將會(huì)使熱阻值減少減小10-15%，正常工作時(shí)，IGBT 散熱器升溫30-50℃，風(fēng)道設(shè)計(jì)合理可以使溫升減小5-10℃，散熱效果良好。

3 發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)電動(dòng)汽車逆變電源IGBT 功率密度更大，工作結(jié)溫也會(huì)變得更高，小型化以及智能化的趨勢(shì)更加明顯。精度等級(jí)也向亞微米、深亞微米方向發(fā)展，同時(shí)在IGBT 的內(nèi)部將會(huì)集成溫度傳感器、電流傳感器，對(duì)溫度、電流等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；另外，一些更好的封裝技術(shù)，例如雙面焊接技術(shù)以及集成散熱技術(shù)的應(yīng)用是將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車載逆變電源IGBT 散熱實(shí)驗(yàn)仿真研究發(fā)現(xiàn)，合理地設(shè)計(jì)散熱器參數(shù)，可以減小熱阻；選用大風(fēng)量及較大轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)，對(duì)提高對(duì)流速度有著顯著效果；通過(guò)不同風(fēng)道設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，表明合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)是減小熱阻的有效途徑。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，新的更加理想的散熱設(shè)計(jì)將會(huì)使散熱效果更加明顯，有利促進(jìn)車載逆變電源的工作效率和穩(wěn)定性。