基于SolidWorks的電機控制器水冷散熱器熱分析

李軍利

（寶雞華山工程車輛有限責任公司 722405)

0 引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們對能源的需求越來越高，傳統(tǒng)的化石燃料已經(jīng)逐漸不能滿足人們的生活需求。近年來, 我國政府出臺了一系列的優(yōu)惠政策，推動了我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。IGBT控制單元是電動汽車電機控制器的核心部件，它在工作時不斷地開啟閉合，釋放出大量的熱量，如果在IGBT控制單元下方?jīng)]有合適的散熱器，電機控制器中的溫度將會急劇升高。作為電子元件，IGBT控制單元整體性能和可靠性與溫度密切相關(guān)。一般來說，IGBT控制單元中PN節(jié)的最高耐溫為150℃，為確定擁有較高的壽命，通常會將IGBT控制單元工作的最高溫度下調(diào)一點，設(shè)置為125℃[1]。

因此，必須對IGBT控制單元有嚴格的溫度控制。本文主要針對電動客車100 kW電機控制器中的IGBT控制單元進行散熱器設(shè)計，根據(jù)電機控制器中散熱器的安裝形式和熱量傳遞途徑，設(shè)計散熱器的結(jié)構(gòu)、散熱介質(zhì)以及水道類型。再利用SolidWorks三維作圖軟件對散熱器進行建模，并簡化散熱器與電機控制器殼體所構(gòu)成的封閉區(qū)域，使用SolidWorks軟件中Flow Simulation模塊流體分析工具進行熱仿真，驗證散熱性能。

1 IGBT控制單元的熱損耗估算

IGBT控制單元由IGBT芯片與續(xù)流二極管兩部分構(gòu)成，IGBT控制單元的熱損耗也主要由兩者產(chǎn)生[2]，所以IGBT控制單元運行時的損耗由IGBT芯片和續(xù)流二極管的導通損耗和開關(guān)損耗四部分組成。可根據(jù)IGBT生產(chǎn)商所提供的出廠參數(shù)進行近似計算，估算出損耗。本文所研究的IGBT型號為英飛凌FF900R12IE4。

1.1 IGBT芯片導通損耗和開關(guān)損耗

（1）導通損耗。IGBT控制單元并不是一個理想開關(guān)，導通狀態(tài)下，飽和壓降會在電流通過時產(chǎn)生損耗，這類損耗叫做導通損耗。IGBT導通損耗的計算公式如下。

iC(t)為正弦的輸出電流，D為IGBT占空比因子，ICP為集電極導通電流，Psat_I為IGBT的導通損耗。FF900R12IE4型號的IGBT導通電流與壓降的關(guān)系如圖1所示。

圖1 IGBT導通電流與壓降關(guān)系曲線

根據(jù)設(shè)計要求，電機控制器所要求的峰值輸出電流為478 A，考慮到電流要增加一點裕度，故設(shè)定ICP=500 A。由上圖可得，VCE(sat)=1.5 V。由于占空比不斷在變化，取經(jīng)驗值D=0.8，得到Psat_I=600 W。

（2）開關(guān)損耗。開關(guān)損耗是指由IGBT在控制極收到控制信號時，對電路進行開關(guān)操作所產(chǎn)生的能量損耗。由于每一次開關(guān)操作都會產(chǎn)生損耗，所以隨著IGBT開關(guān)的頻率提高，開關(guān)損耗會越來越大。得到開關(guān)損耗最精確的方法是測量在開關(guān)過程中IC和VCE的波形，對其進行積分。開關(guān)損耗由2個部分組成，分別是電路接通時的損耗以及電路斷開時的損耗，其計算公式如下。

E(on)為IGBT開通時損失的能量，E(off)為IGBT斷開時損失的能量，fPWM為PWM開關(guān)頻率，為IGBT的開關(guān)損耗。FF900R12IE4型號的IGBT開通和關(guān)斷損耗與電流關(guān)系如圖2所示。

圖2 IGBT開通和關(guān)斷損耗與電流關(guān)系曲線

Icp=500 A，從上圖可得：E(on)=42 mJ，E(off)=75 mJ，fPWM=15 kHz，

1.2 續(xù)流二極管導通損耗和開關(guān)損耗

（1）導通損耗。二極管的導通損耗與IGBT類似，計算公式如下。

VF(sat)為續(xù)流二極管壓降，DF為二極管占空比因子，Psat_F為二極管導通損耗。FF900R12IE4型號的續(xù)流二極管壓降與電流關(guān)系如圖3所示。

圖3 續(xù)流二極管壓降與電流關(guān)系曲線

根據(jù)Icp=500 A，可由上圖得到VF(sat)=1.4 V，DF=1-D=0.2，故Psat_F=140 W。

（2）開關(guān)損耗。二極管的開關(guān)損耗中，關(guān)斷損耗要比導通損耗大得多，故導通損耗可忽略不計，視關(guān)斷損耗為其主要損耗。

Erec為二極管反向恢復(fù)損耗，為二極管開關(guān)損耗。FF900R12IE4型號的續(xù)流二極管反向恢復(fù)損耗與電流關(guān)系如圖4所示。

圖4 續(xù)流二極管反向恢復(fù)損耗與電流關(guān)系

由圖可得Erec=58 mJ。故

1.3 IGBT控制單元總損耗

IGBT控制單元的總損耗為IGBT芯片和續(xù)流二極管的導通損耗與開關(guān)損耗之和，故總損耗Pt可由下公式（6）求得。

估算出的總損耗Pt=3 365 W。

2 散熱器的設(shè)計

2.1 散熱器材料的選擇

散熱器材料的選擇要從多方面來考慮，不僅要有良好的機械強度和加工工藝性，還應(yīng)具有抗腐蝕性與優(yōu)良的熱傳導性，更要考慮經(jīng)濟成本[3]。AA6061與AA6063的導熱性能和切削特性都比較好，適用于擠壓成形方法，是散熱器應(yīng)用最多的鋁合金材料之一。本文選用AA6063型鋁合金作為散熱器的材料。

2.2 散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計

本散熱器采用的是平直肋片板式散熱器，由基板和固定在基板上的平直肋片組成（圖5）?；搴穸仁怯绊懻麄€散熱器散熱效率的重要因素之一，它與IGBT控制單元通過導熱膠相接觸，是熱量傳遞的第一步?；逦誌GBT控制單元產(chǎn)生的熱量，并將其均勻的傳遞給各個肋片上，再由肋片傳遞給冷卻液。

圖5 平直肋片式意圖

散熱功率與基板厚度之間的計算公式如下[4]。

其中t為基板的厚度，單位為mm；P總為IGBT控制單元的熱損耗，單位為kW。計算可得基板的厚度為18.6 mm，這里計算的基板厚度還包括了IGBT控制單元中PCB板與其焊層，以及鋁基板的厚度。除去這些厚度后綜合考慮，選擇基板厚度t=10 mm。

除了基板厚度，散熱器肋片還有幾個重要參數(shù)需要考慮，比如肋片間距、肋片角度、肋片高度和肋片厚度。對于平直式散熱器來說，肋片的角度一般為3°，肋片間距在4 mm左右（圖6）。通過參考其他散熱器的設(shè)計方案和表2的參考值[5]，確定肋片高度為15 mm，齒厚為2.2 mm，肋片間距為3.7 mm。

圖6 肋片的尺寸

表2 平直肋片尺寸參考值

本文所研究的100 kW電機控制器需要3個IGBT控制單元，這3個控制單元均為英飛凌FF900R12IE4型號。根據(jù)IGBT控制單元及電機控制器殼體的尺寸限制，確定散熱器的大致尺寸以及IGBT控制單元在散熱器基板上的布置形式。該型號尺寸為172 mmⅹ89 mmⅹ22 mm。為了使IGBT控制單元產(chǎn)生的熱量最大限度地被散熱器帶走，故將肋片覆蓋在IGBT控制單元的正下方，所以肋片也分成3部分，長寬尺寸和IGBT控制單元尺寸相同，為172 mmⅹ89 mm。散熱器整體由散熱器基板，散熱器肋片與電機控制器殼體結(jié)合組成?；搴蜌んw相互結(jié)合形成1個密封的腔室，腔室內(nèi)是肋片所形成的流道。冷卻液從殼體上的2個開口流入與流出，在此過程中吸收肋片上的熱量并帶到外部環(huán)境（圖7）。散熱器流動示意圖如圖8所示。

圖7 散熱器模型

圖8 散熱器流動示意圖

3 散熱器熱仿真分析

本文選用SolidWorks中的Flow Simulation模塊流體分析工具進行熱仿真。對散熱器的冷卻效果進行分析，以確定散熱器的合理性與可靠性是否在允許的范圍之內(nèi)，并且通過分析結(jié)構(gòu)的合理性進行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 熱分析模型的建立

簡化后模型主要由熱源、散熱器及開口3部分組成。（1）熱源：3塊IGBT控制單元，型號均是英飛凌FF900R12IE4，尺寸為172 mmⅹ89 mmⅹ22 mm，總功率損耗Pt=3 365 W。（2）散熱器：由基板、殼體和肋片所組成的封閉殼體，尺寸為358 mmⅹ233 mmⅹ25 mm。（3）開口：因為需要冷卻液的需要在散熱器中循環(huán)流動，所以在散熱器一側(cè)開2個直徑為13 mm的口。

3.2 參數(shù)設(shè)定以及網(wǎng)格劃分

打開SolidWorks軟件中的Flow Simulation插件，點擊窗口左上方的向?qū)О存I來進行參數(shù)設(shè)定。設(shè)置的參數(shù)如下：單位系統(tǒng)選擇SI標準（為了方便觀察，單獨將溫度單位改為℃）；分析類型選擇內(nèi)流與固體內(nèi)熱傳導；默認流體選擇液體為23.3%的乙二醇；流動特性選擇層流與湍流；默認固體選擇AA6063型鋁合金；外壁面條件選擇絕熱壁面（因為假設(shè)熱量全部由冷卻液帶走，忽略了避免與空氣的熱交換）；初始環(huán)境溫度設(shè)為25℃；還需要對邊界條件、熱源發(fā)熱量以及模擬目標進行設(shè)置。設(shè)置的參數(shù)如下，入口條件：采用速度入口條件，先設(shè)定入口流速為 1 m/s。出口條件：出口設(shè)為環(huán)境壓力（圖9）。熱源設(shè)置為表面熱源，這是因為IGBT控制單元與基板面接觸，同時忽略向空氣散熱，熱功耗為3 365 W。

圖9 模型設(shè)置

3.3 網(wǎng)格的劃分

在Flow Simulation中，網(wǎng)格的劃分有2種形式，分別為自動的網(wǎng)格劃分和手工的網(wǎng)格劃分。自動網(wǎng)格劃分智能簡單，但有可能因為網(wǎng)格過于密集，從而導致計算速率下降，加大計算機的負擔。這里在自動劃分網(wǎng)格的基礎(chǔ)上再手動修改，手動確定最小尺寸縫隙和壁面厚度。如果設(shè)置過大，則會忽視想要關(guān)注的位置的溫度；如果設(shè)置過小，則會加大計算量[6]

3.4 冷卻液流速的選擇

選定冷卻液介質(zhì)為23.3%的乙二醇溶液，保持其他初始條件不變，設(shè)定不同的流速，進行模擬仿真，分析不同流速對散熱效果的影響，從而選定最佳流速。冷卻液流速分別是1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s。

不同流速下IGBT溫度和流體溫度分布云圖如圖10所示。

將上圖中的數(shù)據(jù)歸納成表3。

將最高溫度曲線和壓降曲線結(jié)合到一起，得到流速與壓降及IGBT最高溫度間的關(guān)系曲線，如圖11所示。

隨著流速的上升，IGBT最高溫度雖然在下降，但流體的壓降在不斷增大，溫度與壓降的變化趨勢相反。當流速為5 m/s時，雖然IGBT溫度達到最小值，但此時流體的壓降達到最大，這就意味著需要更高功率的水泵，從而導致水泵的質(zhì)量增大，所占用的體積也增大，這將降低電動汽車的續(xù)航能力以及駕駛空間。

散熱器所選用的冷卻液流速應(yīng)該既能夠滿足降低IGBT溫度的要求，又可以使壓降盡可能的小。從圖上可以看出，當流速大于3 m/s時，IGBT溫度的下降速度減緩，而壓降增長速度急劇增加，所以可以由此判斷，最佳流速在3 m/s左右。實際工作時，水泵在溫度傳感器的幫助下，可根據(jù)IGBT具體工作溫度的高低，使冷卻液的流速在3 m/s附近變化。

3.5 散熱器擾流柱設(shè)計

圖10 不同冷卻液流速下IGBT溫度和流體溫度分布云圖

表3 不同流速下IGBT最高溫度、流體壓強

圖11 流速與壓降及IGBT最高溫度間的關(guān)系

上述的散熱器模型結(jié)構(gòu)中，仍有可以優(yōu)化的部分，可以對模型局部結(jié)構(gòu)進行修改，從而提高散熱效果。通過增加冷卻液與散熱器的接觸面積，增加流體的湍流強度，可以進行更有效的散熱[7]。所以散熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以考慮在流道中添加擾流柱，提高流速的擾動性，加大湍流強度。在此結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，主要考慮圓形擾流柱與橢圓擾流柱（圖12）。

圖12 擾流柱類型

圖13 圓形擾流柱熱仿真結(jié)果

圖14 橢圓擾流柱熱仿真結(jié)果

圖15 不同擾流柱湍流強度分布圖

表4 不同擾流柱的散熱性能分析

增加擾流柱可以提高冷卻液的擾流強度，從而提高湍流情況，從而增大散熱效果。圓形擾流柱熱仿真結(jié)果如圖13所示，橢圓擾流柱熱仿真結(jié)果如圖14所示。

將擾流柱熱仿真結(jié)果與之前沒有優(yōu)化的結(jié)果相互比較，如表4所示。

通過對比表4可知，添加擾流柱可以有效降低IGBT控制單元的最高溫度，提高散熱效果，其中圓形擾流柱的散熱性能要略高于橢圓形擾流柱。在壓降損失方面，圓形擾流柱優(yōu)于橢圓形擾流柱優(yōu)于無擾流柱設(shè)計。由于設(shè)置了擾流柱，可以打破冷卻液的平流層，加強湍流強度（圖15）。

通過兩者間的比較可知，圓形擾流柱的湍流強度要大于橢圓擾流柱，有助于減小冷卻液的平流區(qū)，增加散熱效果，但壓力損失也將增大。由此可知，擾流柱的加入有利于增加散熱效果，可在不改變水泵配置的情況下合理選用。

4 結(jié)束語

通過上述分析計算，對IGBT控制單元所產(chǎn)生的熱量進行了估算，并利用SolidWorks軟件中Flow Simulation對散熱器的散熱效果進行了分析，可以看出該水冷散熱器的散熱能力符合要求，并通過仿真得到最佳的冷卻液流速。擾流柱的加裝對散熱效果有較好提升，不同的擾流柱形狀對散熱效果影響不大，但會影響冷卻液的湍流度。