電動摩托車控制器的散熱性能分析

凌智勇，繆友誼，邢雷杰（江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

電動摩托車控制器的散熱性能分析

凌智勇，繆友誼，邢雷杰
（江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

分析了電動摩托車控制器的主要熱源金屬——氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的功率損耗并進行了理論計算，根據(jù)控制器總散熱熱阻對控制器的散熱底板進行熱設(shè)計，運用CFD軟件FloEFD對控制器整體的熱設(shè)計進行數(shù)值分析，得出控制器的溫度分布。針對控制器最大功率損耗下的散熱性能，分析了散熱底板上的不同散熱翅片參數(shù)對控制器整體溫度分布的影響。實驗結(jié)果表明：針對控制熱散熱性能的仿真誤差小于10%，驗證了仿真的合理性，優(yōu)化后的散熱底板可以滿足控制器的散熱需求。

控制器；MOSFET；熱設(shè)計；優(yōu)化分析

隨著新能源的發(fā)展，電動摩托車成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾煌üぞ摺Ｄ壳拔覈殉蔀槿蜃畲蟮碾妱幽ν熊嚿a(chǎn)和消費國。電動摩托車通過電機控制器驅(qū)動直流無刷電機轉(zhuǎn)動，電機控制器的核心部件之一就是用于實現(xiàn)電子換向功能的金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（metaloxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）。MOSFET作為一種對溫度比較敏感的半導(dǎo)體元器件，其性能受到溫度的影響。研究表明，元器件的工作溫度每升高10℃，系統(tǒng)可靠性將降低50%，超過55%的失效是由于溫度過高引起的［1-2］。電機控制器的主要熱量來源于MOSFET本身，必須對MOSFET以及控制器的散熱性能進行分析［3，4］。

針對MOSFET功耗的確定和散熱器的設(shè)計，國內(nèi)外學(xué)者做了很多研究。王賦攀等［5］介紹了MOSFET功率損耗的組成和計算方法，指出合理的風冷散熱能夠提高散熱性能。胡海拉等［6］建立了單個和耦合器件的熱阻拓補模型用于確定MOSFET結(jié)點的溫度，并用Icepak軟件進行建模分析，取得了較好效果。王淑旺等［7］對電動車的控制器采用水冷方式，驗證了設(shè)計的合理性。魏軍等［8］研究了自然對流情況下PCB上不同功率的發(fā)熱元件安裝位置及連接形式。

1　控制器功耗計算

控制器PCB組件由邏輯區(qū)域和功率區(qū)域組成，其中功率區(qū)域的MOSFET用于控制A/B/C三相電流輸出。如圖1所示，控制器工作方式為三相六步。A/B/C三相各具有一個上管和下管MOSFET，依次排布為Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，導(dǎo)通順序為Q1Q4→Q1Q6→Q3Q6→Q3Q2→Q5Q2→Q5Q4→Q1Q4。

圖1　控制器MOSFET工作方式示意圖

1.1MOSFET功率損耗計算

控制器功率損耗主要集中在功率區(qū)域的MOSFET上。取電機一個導(dǎo)通周期中A-B相導(dǎo)通過程進行分析：A相上管Q1根據(jù)PWM（pulse widthmodulation）信號同步導(dǎo)通或關(guān)斷，A相下管Q2根據(jù)PWM反向信號同步導(dǎo)通或關(guān)斷，B相上管Q3常閉，B相下管Q4常開。MOSFET的功率損耗包括開通損耗、關(guān)斷損耗和導(dǎo)通損耗。

開通損耗：其中：VDS為漏源極之間的電壓；ID為漏源極電流；ton為導(dǎo)通時間；toff為關(guān)斷時間；fsw為工作頻率；RDS（on）為MOSFET導(dǎo)通電阻；D為PWM信號占空比。

A-B相導(dǎo)通過程占整個電機工作周期的1/3，計算MOSFET功率損耗，得到的上、下管功耗分別為：

上管功耗

設(shè)計選取MOSFET型號為英飛凌IPP034-NE7N3G，其最大允許結(jié)點溫度為175℃。采取晶體管最高結(jié)溫III級降額應(yīng)用，取145℃作為最大結(jié)點設(shè)計溫度。MOSFET功率損耗隨電機負載增大而增加，最大負載時MOSFET工作參數(shù)如下：VDS=48 V，ID=32.4 A，ton=237 ns，toff=405 ns，fsw=15.6 kHz，最大占空比D=0.9，MOSFET導(dǎo)通電阻RDS（on）受漏源極電流、柵源極電壓以及結(jié)點溫度的共同影響，取結(jié)點最大工作溫度為145℃時RDS（on）=5.5 mΩ。計算得到的上管功耗為4.3 W，下管功耗為2.1 W。

1.2控制器其他元件功耗計算

控制器PCB組件還包括1個TO-220封裝穩(wěn)壓芯片、4個電容以及貼片元件和連接器。貼片元件功率損耗和連接器接觸阻抗產(chǎn)生的熱損耗很微弱，作忽略處理。穩(wěn)壓芯片和電解質(zhì)電容總功率為0.5W。

2　控制器散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2所示，為了節(jié)約PCB空間以及成本，將6個MOSFET和1個穩(wěn)壓芯片伸出PCB外并且位于PCB同側(cè)。在進行控制器的散熱設(shè)計時根據(jù)功率損耗P以及結(jié)點溫度與環(huán)境溫度的溫度差T確定總的熱阻，并對總的熱阻進行分配，以設(shè)計滿足要求的散熱器。

圖2　控制器PCB結(jié)構(gòu)示意圖

2.1熱阻計算

MOSFET通過散熱器散熱的熱阻RJA=RJC+ RCS+RSA，其中：RJC為MOSFET結(jié)點到殼體的熱阻；RCS為殼體到散熱器的熱阻；RSA為散熱器到安裝環(huán)境的熱阻。

本控制器最高工作環(huán)境溫度為40℃，控制器設(shè)計需要的MOSFET最大總熱阻RJA=ΔT/P= 5.3℃/W，而MOSFET參數(shù)手冊中，RJC=0.7℃/W，RJA=62℃/W，顯然需要加裝散熱器進行強化散熱。

MOSFET和穩(wěn)壓芯片并聯(lián)耦合等效熱阻RJC總=0.1℃/W。為了減小MOSFET金屬基底和散熱底板之間的接觸熱阻以及防止由于直接接觸引起的短路，在MOSFET和散熱底板之間放置一層Hi-Flow 300P絕緣熱導(dǎo)界面材料（thermal interfacematerial，TIM）［9］。在壓力為172 kPa時，等效接觸熱阻RCS總=0.2℃/W，則散熱器的最大設(shè)計熱阻RSA=RJA-RJC總-RCS總=5.0℃/W。

2.2散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算

根據(jù)國標GB 7423.2—87選取散熱器基板長度為123 mm的SRX05D型材散熱器。散熱器翅片垂直放置，自然對流狀態(tài)下RSA=2.2℃/W，滿足計算要求。但控制器安裝在電動摩托車座位底部，其安裝空間較小，控制器的高度不超過100 mm。

散熱底板結(jié)構(gòu)如圖3所示。將翅片集成在基板厚度為3 mm、尺寸為108 mm×117 mm的散熱底板上。由于散熱底板采用鋁合金壓鑄制成，翅片的尺寸受到鑄造工藝以及強度的限制，故翅片最小厚度以及翅片間距均要大于3 mm，高度小于15 mm。選取翅片高度15 mm、間距9 mm、厚度3 mm的初始設(shè)計方案進行分析。

圖3　散熱底板結(jié)構(gòu)示意圖

3　CFD仿真及優(yōu)化

較短的研發(fā)周期對產(chǎn)品性能評估提出挑戰(zhàn)，采用仿真模擬可以在研發(fā)階段提前了解產(chǎn)品性能，提出優(yōu)化方案。本文采用CFD軟件FloEFD對設(shè)計方案進行模擬。FloEFD直接嵌入Pro/E中，無需對產(chǎn)品模型進行修改即可進行分析仿真。

3.1三維建模及網(wǎng)格劃分

在Pro/E中建立的控制器三維模型如圖4所示，包括上蓋、PCB組件、TIM材料和底板。對PCB上的無功率損耗元件做隱含處理，計算域為1 m×1 m×1 m的立方體。采用4級網(wǎng)格精度以及狹長通道細化對翅片處的網(wǎng)格進行細化處理。

圖4　控制器三維模型

對散熱器的自然對流換熱過程作以下假設(shè)：①滿足Boussinesq假設(shè)；②流體為不可壓縮層流；③PCB板導(dǎo)熱屬性為均值、各項同性；④忽略熱輻射影響?？紤]固體內(nèi)部熱傳導(dǎo)，在環(huán)境溫度為23℃，壓力為101.3 kPa時，各零件材料物理性能如表1所示。

表1　材料的物理性能

3.2針對原始方案的仿真驗證

模擬最高環(huán)境溫度為40℃、功率損耗最大時控制器的散熱性能?？刂破鞯臏囟仍茍D如圖5所示，可以看出MOSFET結(jié)點最高溫度為134.2℃，小于目標值（145℃），此時散熱底板平均溫度為122.1℃。

圖5　控制器溫度云圖

3.3底板參數(shù)優(yōu)化分析

控制器的初始設(shè)計可以滿足目標要求，但實際應(yīng)用中散熱器的成本與質(zhì)量相關(guān)。在滿足散熱要求下，質(zhì)量越小成本越低。因此，對底板的質(zhì)量和散熱性能進行分析。

固定初始設(shè)計的翅片間距和厚度參數(shù)，對翅片高度和質(zhì)量進行研究。由于翅片高度受到最高不超過15 mm安裝條件的限制，因此取翅片高度為0，3，6，9，12，15 mm，分別分析MOSFET結(jié)點的最高溫度、散熱底板的最高以及平均溫度，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出：翅片高度為3 mm時的MOSFET結(jié)點最高溫度為143.9℃，基本滿足設(shè)計要求；翅片高度每增加3 mm，MOSFET結(jié)點最高溫度下降超過5℃，但相應(yīng)的質(zhì)量增加超過30 g。

表2　不同翅片高度下控制器溫度

以翅片高度3 mm為固定值，對翅片間距進行分析，取間距為3，6，9，12，15 mm，對應(yīng)的翅片數(shù)目為20，14，10，8，6個。表3為不同翅片數(shù)目下MOSFET結(jié)點的最高溫度、散熱底板的最高以及平均溫度。從表3可以看出：隨著翅片數(shù)目的增加，結(jié)點最高溫度隨之下降，當翅片數(shù)目超過10片時可以滿足散熱需求；與改變翅片高度相比，同等質(zhì)量下，增加翅高其散熱性能比增加翅片數(shù)目效果更好，可以優(yōu)先考慮增加翅片高度，但增加翅片的數(shù)目對控制器的整體高度不會產(chǎn)生影響?？紤]到控制器實際安裝空間較小，為了減小控制器的體積，最終選取翅片高度3 mm、翅片數(shù)目20、間距3 mm作為最終優(yōu)化結(jié)果。

3.4實驗驗證

如圖6所示，在控制器散熱底板設(shè)置測量點，對優(yōu)化后的模型進行實驗驗證。由于MOSFET結(jié)點溫度不能直接測量，故可以選取散熱底板作為測量對象。取MOSFET安裝位置附近的8個點和散熱底板翅片處2個點作為測量點，在溫度為40℃的恒溫箱中進行測試，0.5 h后傳感器測量點溫度達到平衡狀態(tài)。

表3　不同翅片數(shù)目下控制器溫度

圖6　控制器散熱底板測量點分布

對模擬溫度和測試溫度的數(shù)據(jù)對比，結(jié)果如圖7所示。

圖7　不同測量點實驗溫度和模擬溫度的對比

通過實驗與模擬結(jié)果對比可以得出：散熱底板實際測量溫度低于模擬溫度；實際測量的6個MOSFET溫度較均衡，但溫度分布趨勢一致，最大誤差小于10%。實驗測量的散熱底板的最高溫度不高于125℃即可實現(xiàn)MOSFET結(jié)點溫度不高于設(shè)計的145℃。

對某電動摩托車直流無刷電機控制器進行熱設(shè)計，并利用數(shù)值模擬方法對控制器的整體熱性能進行了分析，通過對底板參數(shù)優(yōu)化，得出了適用于工程的優(yōu)化模型。通過實驗對優(yōu)化后的模型進行驗證，保證了控制器中的MOSFET能正常工作，提高了控制器的穩(wěn)定性。

［1］李曉明，呂善偉，高澤溪.PCB及元件的溫度場有限元分析［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2000，26（1）：5-7.

［2］包明冬，馬展，崔洪江，等.電力電子器件IGBT用水冷板式散熱器熱力性能的數(shù)值模擬［J］.內(nèi)燃機車，2012（5）：1-5.

［3］Guofeng R，F(xiàn)eng T，Lin Y.The research of thermal design for vehicle controller based on simulation［J］.Applied Thermal Engineering，2013，58（1/2）：420-429.

［4］Mallik S，Ekere N，Best C，et al.Investigation of thermal management materials for automotive electronic control units［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31（2/3）：355-362.

［5］王賦攀，楊鵬.MOSFET功率開關(guān)器件的散熱計算［J］.通信電源技術(shù)，2005，22（1）：31-33.

［6］胡海拉，王石剛，莫錦秋，等.基于熱阻拓撲關(guān)系的高頻電源金氧半場效晶體管的散熱設(shè)計及仿真［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2010，44（2）：180-184.

［7］王淑旺，趙衛(wèi)健，唐志國，等.純電動汽車水冷電機控制器的熱仿真和熱分析［J］.微特電機.2013，41（9）：11-13.

［8］魏超，劉召軍，李增耀，等.極限熱環(huán)境下大功率PCB散熱改進研究［J］.工程熱物理學(xué)報，2010，31（1）：100 -102.

［9］Otiaba K C，Ekere N N，Bhatti R S，et al.Thermal interface materials for automotive electronic control unit：Trends，technology and R&D challenges［J］.Microelectronics Reliability.2011，51（12）：2031-2043.

（責任編輯劉舸）

Thermal Dissipation Analysis of Electric M otorcycle Controller

LING Zhi-yong，MIAO You-yi，XING Lei-jie
（School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）

The power loss of themetal oxide semiconductor field effect transistor（MOSFET）in electricmotorcycle controller was calculated and analyzed.The controller thermal baseplate was designed according to the total thermal resistance，and the controller temperature distribution was simulated by the FloEFD.Based on the controller heat dissipation performance undermaximum power loss，the influence of the different thermal fin parameterson controller temperature distribution was analyzed.The experimental results verify the rationality of simulation，and the simulation deviation of controller thermal performance is less than 10%.The optimized baseplate can meet the thermal dissipation requirements of controller.

controller；MOSFET；thermal design；optimization analysis

TK124

A

1674-8425（2015）05-0001-05

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.05.001

2015-01-24

凌智勇（1957—），男，博士，教授，主要從事微納米元器件研究。

凌智勇，繆友誼，邢雷杰.電動摩托車控制器的散熱性能分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015（5）：1-5.

format：LING Zhi-yong，MIAO You-yi，XING Lei-jie.Thermal Dissipation Analysis of Electric Motorcycle Controller［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（5）：1-5.