0 引言

新能源汽車使用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為動(dòng)力源,其電機(jī)控制器作為主要的電力轉(zhuǎn)換與傳輸部件,在車輛行駛中會(huì)產(chǎn)生較多的熱量,能否得到有效冷卻是決定電機(jī)控制器及車輛是否正常工作的關(guān)鍵?絕緣柵雙極晶體管(以下簡(jiǎn)稱IGBT)是電機(jī)控制器內(nèi)的核心部件,運(yùn)行溫度是影響其性能和可靠性的關(guān)鍵因素?隨著新能源汽車的動(dòng)力需求不斷提升,電機(jī)控制器的功率要求越來(lái)越高,IGBT則需要達(dá)到更高的工作電流,相應(yīng)的,晶體管會(huì)產(chǎn)生更多的熱量?傳統(tǒng)的單面水冷式IGBT封裝在熱阻?散熱能力上已無(wú)法滿足高功率電機(jī)控制器的散熱需求?另外,當(dāng)電機(jī)控制器高功率運(yùn)行時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大的三相電流,而三相銅排作為電機(jī)控制器與電機(jī)之間的電力傳輸部件,會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱,使銅排達(dá)到較高溫度水平?銅排過(guò)高的溫度一方面會(huì)使控制器腔體內(nèi)溫度提高,不利于其他器件的正常工作;另一方面會(huì)使銅排的電阻升高,產(chǎn)生較高的損耗,降低效率?

同時(shí),高功率電機(jī)通常會(huì)適配后驅(qū)車型,為了追求車內(nèi)乘坐空間,電機(jī)及電機(jī)控制器在整車下的布置空間會(huì)非常有限,尤其在縱向方向上的尺寸要求更為苛刻?為此,電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需采用高度集成式的設(shè)計(jì),盡可能減小體積,提高功率密度?

文獻(xiàn)介紹了一種雙面水冷式IGBT的結(jié)構(gòu)及封裝,文獻(xiàn)介紹了一種采用雙面水冷IGBT的電機(jī)控制器?本文介紹了一款電機(jī)控制器,設(shè)計(jì)最大功率達(dá)到240kW,最大輸出電流1200A,功率模塊選用雙面水冷式IGBT,連接形式為6個(gè)半橋兩兩并聯(lián),并為IGBT設(shè)計(jì)了配套的散熱器?三相銅排采用疊層母排,U?V?W三根銅排分別用絕緣材料包塑后粘合成一個(gè)整體?散熱器為疊層母排專門設(shè)計(jì)了散熱結(jié)構(gòu),能夠?yàn)?/span>IGBT和疊層母排同時(shí)進(jìn)行冷卻散熱,在保證IGBT不超過(guò)溫度限值的同時(shí),可以將疊層母排的溫度保持在較低水平?在電機(jī)控制器整體設(shè)計(jì)方面,采用集成式設(shè)計(jì),可以與電機(jī)?減速箱裝配為集成式電驅(qū)動(dòng)總成?控制器的布置方式有效降低了電驅(qū)動(dòng)總成在縱向方向上的高度,具有較好的布置可行性與通用性?

1 方案設(shè)計(jì)

1.1雙面水冷IGBT及散熱器模塊

本文設(shè)計(jì)的雙面水冷IGBT及散熱器方案如圖1所示?該方案主要包括6個(gè)雙面水冷IGBT及配套設(shè)計(jì)的散熱器,另外在高壓端設(shè)計(jì)了絕緣支架,可以起到對(duì)端子的固定和保護(hù)作用,另一方面可以實(shí)現(xiàn)和端子與散熱器之間的絕緣?

本設(shè)計(jì)方案選擇的雙面水冷IGBT如圖2所示?其包括兩個(gè)直流輸入端子?一個(gè)交流輸出端子和相應(yīng)的低壓端子?兩個(gè)直流端子分別與電機(jī)控制器內(nèi)母線電容的正負(fù)極相連接,交流輸出端子與電機(jī)的三相輸入端子相連接,低壓端子直接與驅(qū)動(dòng)控制電路板焊接?雙面水冷IGBT封裝的正反兩面均附有兩個(gè)表面鍍銅的散熱表面,兩個(gè)散熱表面與散熱器之間填充導(dǎo)熱材料后,可實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的雙面冷卻?相比傳統(tǒng)的單面冷卻封裝,帶來(lái)的直接優(yōu)勢(shì)是可以獲得較高的輸出電流,提高電驅(qū)動(dòng)總成的輸出功率,并且高效的散熱可以使IGBT的工作溫度保持在較低水平,降低了IGBT失效風(fēng)險(xiǎn),提高了電機(jī)控制器的運(yùn)行可靠性?結(jié)合當(dāng)前市面上現(xiàn)有的IGBT型號(hào),本文采用6個(gè)雙面水冷IGBT,兩兩并聯(lián),可以為電機(jī)輸出單相最高1200A的電流,電驅(qū)動(dòng)總成最大功率可以達(dá)到240kW?

在冷卻系統(tǒng)方面,整個(gè)雙面水冷模塊設(shè)計(jì)有一個(gè)進(jìn)液口和一個(gè)出液口?進(jìn)液口直接作為電機(jī)控制器的進(jìn)液口,與整車?yán)鋮s系統(tǒng)相連接,出液口直接與電機(jī)冷卻水道硬連接,實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)集成,減少了外部管路的使用?

雙面水冷IGBT配套散熱器設(shè)計(jì)方案如圖3所示?三對(duì)兩兩并聯(lián)的IGBT并排放置,散熱器水道由三個(gè)分布在IGBT兩側(cè)的水道并聯(lián)而成,每個(gè)水道通過(guò)兩塊水冷板焊接形成,水冷板材料使用鋁合金,鋁具有較低密度和較高導(dǎo)熱系數(shù),有利于提高散熱器的導(dǎo)熱性能,降低散熱器整體質(zhì)量?焊接工藝的使用減少了密封圈和螺栓的數(shù)量,簡(jiǎn)化整體結(jié)構(gòu),有效降低整個(gè)IGBT散熱模塊的體積和質(zhì)量?

IGBT散熱器水道連通方式如圖4所示?整個(gè)散熱器包括一個(gè)進(jìn)液口和一個(gè)出液口?在IGBT的長(zhǎng)度方向有三個(gè)平行的水道,分布在IGBT的兩側(cè),使每個(gè)IGBT與散熱器接觸的正反兩面均有冷卻液的流動(dòng),實(shí)現(xiàn)雙面水冷?圖4展示了流道內(nèi)流速分布的仿真結(jié)果?

實(shí)際上,僅由水冷板組成的冷卻水道內(nèi),冷卻液與散熱面的接觸面積很小,不足以體現(xiàn)出散熱能力,需要在流道內(nèi)加入一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)來(lái)增加冷卻液與水冷板的接觸面積,使換熱面積最大化?本文選用一種薄翅片結(jié)構(gòu),如圖5所示,翅片通過(guò)焊接固定在水冷板上,三個(gè)并聯(lián)的水道內(nèi)均附有該類型的翅片?翅片的加入有效提高了散熱器的散熱能力?

在三個(gè)并聯(lián)水道內(nèi)均加入翅片,保證每個(gè)IGBT的兩個(gè)散熱面分布有散熱翅片,雙U型的散熱翅片可以有效增大換熱面積,并且可以增強(qiáng)水道內(nèi)的擾流效果,翅片的壁厚較薄,不會(huì)明顯增大散熱器的流阻,并可以有效降低熱阻?

溫度分布云圖及計(jì)算結(jié)果如圖6所示?通過(guò)計(jì)算,翅片可以明顯降低冷卻液對(duì)IGBT的熱阻,并且對(duì)流阻的影響較小?相比較,加入翅片結(jié)構(gòu)與無(wú)翅片結(jié)構(gòu),在進(jìn)液口溫度65℃,冷卻介質(zhì)為乙二醇水溶液(50∶50)時(shí),熱阻降低46%,流阻增大5%?

1.2疊層母排及散熱結(jié)構(gòu)

三相銅排是電機(jī)控制器內(nèi)部重要的電力傳輸部件,IGBT產(chǎn)生的三相交流電通過(guò)三相銅排輸出給驅(qū)動(dòng)電機(jī)?在設(shè)計(jì)中,由于設(shè)計(jì)空間有限,并且考慮到裝配便利性,通常將三根銅排用絕緣膜包塑后重疊在一起,形成疊層母排?疊層母排結(jié)構(gòu)緊湊,便于裝配,并且可以有效降低雜散電感?隨著對(duì)電機(jī)控制器功率密度和電磁兼容性能要求的不斷提高,疊層母排成為更具有優(yōu)勢(shì)的部件?

但是,隨著電機(jī)控制器功率的提升,疊層母排的發(fā)熱問(wèn)題變得嚴(yán)峻,由于銅排被導(dǎo)熱性能較差的絕緣膜包裹,不利于銅排的熱量散發(fā),再加上重疊的設(shè)計(jì),使三根銅排的散熱面減少,在大功率運(yùn)行時(shí),銅排產(chǎn)生的熱量無(wú)法散出,使銅排達(dá)到很高的溫度水平?銅排溫度升高會(huì)增大銅的電阻,造成更高損耗,降低效率;另一方面,銅排的溫度會(huì)烘烤整個(gè)控制器腔體,對(duì)其他器件的運(yùn)行造成影響?更重要的是,溫度過(guò)高會(huì)使銅牌之間的絕緣膜失效,造成嚴(yán)重的絕緣故障,如何解決大功率電機(jī)控制器內(nèi)疊層母排的發(fā)熱問(wèn)題是非常重要的?

本文采用一種疊層母排散熱方案,通過(guò)雙面水冷散熱器的水冷板來(lái)對(duì)疊層母排進(jìn)行散熱?最靠近進(jìn)液口的水冷板具有最低的溫度,可以與冷卻液的溫度保持相近,再加上鋁高效的導(dǎo)熱,可以有效對(duì)疊層母排進(jìn)行散熱?疊層母排散熱結(jié)構(gòu)如圖7所示?

水冷板上設(shè)計(jì)有散熱凸臺(tái),并采用了翅片設(shè)計(jì),在提升凸臺(tái)強(qiáng)度的同時(shí),加大了散熱面積?疊層母排通過(guò)絕緣導(dǎo)熱墊與從水冷板引伸出的凸臺(tái)相接觸,疊層母排產(chǎn)生的熱量通過(guò)絕緣導(dǎo)熱墊傳遞給散熱凸臺(tái),散熱凸臺(tái)的熱量通過(guò)翅片傳遞給與冷卻液接觸的水冷板內(nèi)表面,最終由冷卻液帶走熱量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)疊層母排的散熱?

為了保證三相銅排?導(dǎo)熱墊和散熱凸臺(tái)之間的貼合緊密程度,本文單獨(dú)設(shè)計(jì)了一個(gè)壓板,如圖8所示,對(duì)疊層母排在豎直方向上進(jìn)行壓緊,一方面可以去除導(dǎo)熱面之間的間隙,提高導(dǎo)熱效率;另一方面可以起到防止疊層母排振動(dòng)的功能?

溫度分布云圖及計(jì)算結(jié)果如圖9所示?通過(guò)計(jì)算,散熱結(jié)構(gòu)的加入可以明顯降低疊層母排的溫度?加入散熱結(jié)構(gòu)與無(wú)散熱結(jié)構(gòu)相比較,在環(huán)境溫度85℃,冷卻液溫度65℃,冷卻介質(zhì)為乙二醇水溶液(50∶50)時(shí),疊層母排最高溫度降低8%,銅排損耗降低5%?

1.3薄膜電容及散熱結(jié)構(gòu)

由于電機(jī)控制器功率較大,薄膜電容的發(fā)熱也較為嚴(yán)重,較高的工作溫度會(huì)降低薄膜電容的壽命及可靠性,為此,需要對(duì)電容設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)?本文中薄膜電容的外殼設(shè)計(jì)有散熱凸臺(tái),裝配后,散熱凸臺(tái)面粘貼導(dǎo)熱墊后與雙面水冷散熱器的背面相貼,電容產(chǎn)生的熱量通過(guò)導(dǎo)熱墊傳遞給雙面水冷散熱器外殼,最終由冷卻液帶走熱量,實(shí)現(xiàn)薄膜電容的散熱?薄膜電容如圖10所示?

溫度分布云圖及計(jì)算結(jié)果如圖11所示?通過(guò),電容散熱結(jié)構(gòu)的加入可以明顯降低薄膜電容芯卷及銅排的溫度?相比較,加入散熱結(jié)構(gòu)與無(wú)散熱結(jié)構(gòu),在環(huán)境溫度85℃,冷卻液溫度65℃,冷卻介質(zhì)為乙二醇水溶液(50∶50)時(shí),芯卷最高溫度降低6%,銅排最高溫度降低8%?

1.4整體控制器結(jié)構(gòu)

電機(jī)控制器最高功率240kW,整機(jī)體積6功率密度為39kW/L?

整個(gè)電機(jī)控制器內(nèi)部布置如圖12所示,接口部分包括一個(gè)冷卻液進(jìn)液口?一個(gè)冷卻液出液口?一個(gè)三相輸出接口?一個(gè)高壓直流輸入接口和一個(gè)信號(hào)接口?整機(jī)包括一套懸置安裝點(diǎn),可直接固定在電機(jī)與減速器上,形成電驅(qū)動(dòng)總成?

其中電機(jī)控制器的進(jìn)水管為單獨(dú)零件,進(jìn)水的朝向可以根據(jù)冷卻系統(tǒng)要求進(jìn)行調(diào)整?出水口與電機(jī)進(jìn)水口對(duì)插連接,取消外界水管設(shè)計(jì),提高集成度?高壓連接方式選用一體式線接頭,相比快插式的連接方式可以降低成本?

1.5總成結(jié)構(gòu)

總成包括電機(jī)控制器?驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器?控制器布置在驅(qū)動(dòng)電機(jī)斜后方,有效降低了總成的縱向高度,便于整車布置,滿足后驅(qū)車型的空間要求?

總成結(jié)構(gòu)如圖13所示?總成采用三相高壓線?旋變線束內(nèi)置設(shè)計(jì)方式,提高集成度,總成之間無(wú)線束連接,僅有一個(gè)高壓輸入接口和低壓信號(hào)接口?電機(jī)控制器冷卻水道與驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻水道硬連接,總成之間無(wú)外部管路,總成僅留有一個(gè)進(jìn)液口和一個(gè)出液口?

2 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款240kW電機(jī)控制器方案,并展示了總成搭載方案,其中功率模塊采用雙面水冷式IGBT,有效提高了電機(jī)控制器的功率密度?對(duì)高功率大電流帶來(lái)的器件發(fā)熱問(wèn)題,關(guān)鍵器件分別設(shè)計(jì)了散熱結(jié)構(gòu),通過(guò)計(jì)算評(píng)估了散熱效果?電機(jī)控制器主要特點(diǎn)有:

1) 功率模塊采用雙面水冷式IGBT,并設(shè)計(jì)了配套散熱器,水道內(nèi)雙U型翅片的加入,可以降低熱阻46%,流阻增大5%?

2) 疊層母排設(shè)計(jì)了散熱結(jié)構(gòu),利用雙面水冷散熱器進(jìn)行散熱,銅排最高溫度降低8%,銅損降低5%?

3) 針對(duì)薄膜電容設(shè)計(jì)了散熱結(jié)構(gòu),利用雙面水冷散熱器進(jìn)行散熱,芯卷最高溫度降低6%,銅排最高溫度降低8%?

4) 電機(jī)控制器整機(jī)功率密度可達(dá)39kW/L,相比傳統(tǒng)單面水冷電機(jī)控制器提高了30%?

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