０引言

节能环保是当前汽车行业发展的主题,而发展电动汽车已成为汽车行业的共识｡作为电动汽车的三大核心部件之一,驱动电机控制系统未来的发展趋势是高功率密度､高度集成化､轻量化｡而电机控制器中的功率模块是提升驱动电机控制系统功率密度的关键器件｡目前,混合动力汽车和纯电动汽车的电力驱动控制系统用的功率模块主要是硅(Si)基功率器件｡然而,受到材料本身的限制,传统硅基功率器件在电压阻断能力､正向导通压降､器件开关速度等方面已逼近甚至达到了其最大使用极限,尤其在高频和高功率领域更显示出局限性｡SiC半导体材料作为新一代半导体材料,具有禁带宽度大､热导率高等优点,使用SiC半导体材料制造的碳化硅功率模块便具有了高温､高效和高频的特性,可实现驱动电机控制系统功率密度的大幅提升｡采用这种碳化硅功率模块,工作时的开关频率最高可达30kHz,导致发热问题突出,开关损耗产生的热量也会在瞬间大幅增加,因此需散热能力更强､散热效率更高的散热器来进行快速散热,满足碳化硅控制器正常工作需要｡

本文针对碳化硅控制器的高效散热需求开发了一款碳化硅控制器用高效散热器,重点介绍了该高效散热器的结构和工艺设计方案,并通过有限元热仿真探讨了该散热器在碳化硅控制器中的散热效果,最后通过制造样机进行台架测试,以验证开发的高效散热器的散热效果｡ 

1 散热器设计与应用

1.1 散热器结构设计

开发的高效散热器结构如图1(a)所示,整个散热器由第一散热板､中间散热板和第二散热板组成,中间散热板由2个相同的散热板组成｡将4个散热板并列组合在一起,相邻2个散热板间采用O型圈进行密封,就组成一个完整的高效散热器｡该散热器共有4个并联的散热通道,散热器中间有3个长方形空隙,供安装模块｡散热板结构和制造工艺如图1(b)所示,每个散热板都由上盖板､散热片和下盖板组成,散热片填装在下盖板中间的长方形凹槽里,然后上盖板､散热片和下盖板通过一体化真空钎焊成为一个完整的散热板｡

碳化硅功率模块与散热器的装配结构如图2所示｡碳化硅功率模块叠层排列装配在散热器中间的3个长方形空隙中,接触面位置涂抹导热硅脂填充缝隙｡几层散热板通过固定螺杆进行散热器自身初步预压紧后,再通过板簧配合楔形滑块给散热器的每层散热板表面施加900N左右的压紧力,以确保散热器表面与碳化硅功率模块上下表面紧密贴合｡工作时,碳化硅控制器的冷却液首先从散热器的入口流入,然后分别进入4个并联的散热通道对碳化硅功率模块进行两面散热,最后汇集到散热器的出口,完成对整个碳化硅控制器功率模块的双面冷却｡

 

1.2 散热器应用

高效散热器相较传统的单面散热方式,可对碳化硅功率模块两个面同时进行散热,散热面积和散热效率都有大幅提升｡为了进一步研究该散热器的实际散热效果,应用该高效散热器开发了一款碳化硅控制器样机(结构如图3所示)｡该碳化硅控制器主要包括进水管､薄膜电容､三相输出组件､箱体､出水管､散热器组件､输入组件等｡

该碳化硅功率模块上端的输入端子通过激光焊接与薄膜电容输出端子连接,模块输出端子与三相输出组件里的铜排激光焊接,这种焊接方式牢固可靠,连接处导电性能好,避免了螺栓连接的松动风险｡设计的碳化硅控制器同时与减速器､负载电机集成后装配为一个三合一电驱动系统,如图4所示｡减速器与负载电机的前端固定;碳化硅控制器固定在负载电机正上方,散热水道与负载电机水道连通,进水管直接连通高效散热器的入水口,出水管直接连通高效散热器的出水口;电机进水管与碳化硅控制器出水管通过一个软管直接连接｡这样整个三合一电驱动系统就形成了一个完整的散热水道｡

 

1.3 散热器仿真

设计的碳化硅控制器的峰值输出功率为120kW,功率模块在峰值工况输出情况下的瞬时温升最高｡为了研究该散热器的散热效果,需对设计的碳化硅控制器在峰值工况下的功率模块瞬时温升进行有限元热仿真,进而研究碳化硅功率模块内部芯片的温度分布｡

碳化硅控制器散热水道模型如图5(a)所示,碳化硅功率模块峰值工况温升如图5(b)所示｡由此可知,在峰值工况下,碳化硅功率模块的芯片最高温度为134.2℃,而碳化硅功率模块长期使用温度在175℃以上,因此可满足长期使用要求｡由此可见,本文开发的高效散热器具有很好的散热效果,可满足碳化硅控制器本身的散热需求｡

 

2 控制器温升试验

为了进一步验证开发的高效散热器的散热效果,对应用本散热器开发的碳化硅控制器进行台架测试,搭配的负载电机为永磁同步电机,峰值功率为120kW,峰值扭矩为300N·m｡为了方便装配,台架测试时将三合一搭配的减速器去掉,只保留碳化硅控制器和负载电机｡将碳化硅控制器冷却液入口温度调整为65℃,水流量控制在8L/min,开关频率设定为10kHz,模块峰值电流为460A,然后对碳化硅控制器的功率模块在峰值工况下的温升进行测试｡台架测试环境如图6所示｡

测试峰值温升持续时间为28s,峰值工况下碳化硅功率模块测试温升结果如图7所示｡由此可知,在峰值工况下碳化硅功率模块的温度传感器最高温度稳定在70℃,推算芯片的温度不会超过110℃,远小于碳化硅控制器功率模块芯片的使用最高温度,开发的高效散热器的散热效果优良｡

3 结语

本文针对碳化硅控制器高效散热的需求开发了一款碳化硅控制器用高效散热器,介绍了该高效散热器的结构和工艺设计方案,应用该散热器开发了一款碳化硅控制器,并通过有限元热仿真研究了该散热器在碳化硅控制器中的散热效果｡最后通过制造碳化硅控制器样机进行台架测试,结果表明开发的高效散热器具有良好的散热效果,满足碳化硅控制器的散热需求｡另外,使用这种层叠式高效散热器结构,可通过增加中间散热板的数量来扩展散功率模块的使用数量,从而实现多个功率模块并联输出,大幅提高了碳化硅控制器的输出功率和功率密度,具有较重要的工程应用价值｡

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