面向微特電機(jī)的碳化硅控制器散熱方案設(shè)計(jì)研究

陳 堯，杜明剛，蓋江濤，帥志斌，李耀恒

(1 中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072；2 車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072)

0 引 言

在特殊應(yīng)用領(lǐng)域的微小型特種電機(jī)及其控制器，由于其安裝空間有限，以及來(lái)自裝備總質(zhì)量和有效載荷的強(qiáng)約束，通常對(duì)重量、體積等指標(biāo)有著極高的要求。此外，控制器通常在艙內(nèi)高溫環(huán)境下工作，因此對(duì)其整體的耐高溫性能也有十分嚴(yán)苛的要求。因此，在考慮耐高溫性能的前提下如何提高電機(jī)控制器的效率和功率密度成為目前的研究熱點(diǎn)[1-3]。

與硅器件相比，以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件具有高電壓等級(jí)、高開(kāi)關(guān)頻率、高結(jié)溫耐受能力、低開(kāi)關(guān)損耗等優(yōu)勢(shì)[4]。由此可預(yù)見(jiàn)，利用碳化硅功率器件設(shè)計(jì)的控制器能顯著提高電機(jī)控制器的效率和功率密度。但碳化硅功率器件的散熱面積較小，需要設(shè)計(jì)一個(gè)高效的散熱方案來(lái)保證系統(tǒng)的可靠性。

目前常用的散熱方案包括風(fēng)冷散熱和液冷散熱。風(fēng)冷散熱需要銅質(zhì)或鋁制散熱器與散熱風(fēng)機(jī)相配合，其散熱效果與散熱器肋片表面積、空氣流速、風(fēng)道設(shè)計(jì)有著直接關(guān)系[5]。液冷散熱用于發(fā)熱功率大且較為集中的場(chǎng)合，能夠迅速地把熱量帶走，其散熱效果好，但需要一整套的液冷散熱設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高，且存在漏液等可靠性風(fēng)險(xiǎn)，只有在大功率電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中才會(huì)采用[6]。因此，對(duì)于微特電機(jī)控制器，經(jīng)過(guò)合理優(yōu)化的風(fēng)冷散熱是首選方案。

本文通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式損耗分析法來(lái)了解功率器件各部分損耗與其參數(shù)的直接關(guān)系，通過(guò)物理模型仿真得出功率器件各工況的損耗分布情況，計(jì)算散熱器熱阻后提出四種散熱方案，建模仿真分析后優(yōu)選出了散熱效果最好的散熱方案。

1 電機(jī)控制器損耗分析

典型三相兩電平電機(jī)控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1所示。主要由直流電源、直流母線電容、三相逆變橋和電機(jī)等組成。

圖1 三相兩電平電機(jī)控制器典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電機(jī)控制器的損耗主要包括功率器件的損耗、驅(qū)動(dòng)芯片的損耗、電源模塊的損耗和支撐電容的損耗等，本文重點(diǎn)研究功率器件的損耗[7]，包括MOSFET和二極管的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。目前有兩種損耗計(jì)算方法：經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和物理模型計(jì)算。

1.1 經(jīng)驗(yàn)公式損耗分析

MOSFET導(dǎo)通損耗[7]：

(1)

式中,RDS(on)為導(dǎo)通電阻；I0為橋臂輸出電流峰值；m為調(diào)制比；cosφ為功率因數(shù)。

MOSFET開(kāi)關(guān)損耗[7]：

(2)

式中,fs為開(kāi)關(guān)頻率；Eon、Eoff分別為一個(gè)脈沖周期內(nèi)的開(kāi)通、關(guān)斷損耗；VDS為直流母線電壓；RG為外部驅(qū)動(dòng)電阻；Iref、Vref和RGref分別為測(cè)試條件下的漏源電流、漏源電壓、外部驅(qū)動(dòng)電阻。

二極管導(dǎo)通損耗：

Pcond_D=VF·IF

(3)

式中,VF為二極管的正向?qū)▔航?；IF為正向?qū)ǖ钠骄娏鳌?/p>

二極管開(kāi)關(guān)損耗：

Psw_D=fs·Qrr·VR

(4)

式中,Qrr為二極管反向恢復(fù)電荷；VR為反向阻斷電壓。

總損耗：

P=Pcond_MOS+Psw_MOS+Pcond_D+Psw_D

(5)

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算損耗方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便，計(jì)算速度快，與部分參數(shù)的線性關(guān)系可以很直觀的看出來(lái)，但其計(jì)算精準(zhǔn)度難以滿足要求，原因是功率器件的參數(shù)與其溫度密切相關(guān)，難以考慮到器件的“熱電耦合”特性。

1.2 物理模型損耗計(jì)算

物理模型仿真計(jì)算的方法可以實(shí)時(shí)考慮功率器件的參數(shù)，但其通常需要建立精確的功率器件仿真模型，使用LTSPICE、PLECS等商業(yè)軟件進(jìn)行仿真分析。CREE公司旗下的WolfSpeed專門推出了SpeedFit在線仿真計(jì)算工具，其借助PLECS仿真平臺(tái)的算法，可以在線進(jìn)行功率器件的仿真計(jì)算，節(jié)省了大量時(shí)間，并保證了仿真計(jì)算的精準(zhǔn)度。用SpeedFit 進(jìn)行損耗計(jì)算的流程圖如圖 2所示[8]。

圖2 利用SpeedFit 進(jìn)行損耗計(jì)算的流程圖

圖3 SiC MOSFET和SiC SBD實(shí)物圖

采用Cree公司生產(chǎn)的C2M0045170P型“1700 V 72 A”碳化硅MOSFET和C3D25170H型“1700 V 26.3 A”碳化硅肖特基二極管(SBD)，實(shí)物如圖 3所示。為估算其導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，使用SpeedFit開(kāi)展了不同工況下的損耗仿真分析，獲取了導(dǎo)通電流為5、10、20 A和開(kāi)關(guān)頻率為10、20、30 kHz時(shí)的損耗分布情況如圖 4(a)、圖4(b)所示。

圖4 外接反并聯(lián)碳化硅肖特基二極管時(shí)的損耗分布情況

從圖 4(a)可知，開(kāi)關(guān)頻率不變時(shí)，隨著導(dǎo)通電流的增大，碳化硅功率器件的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗都會(huì)增大，導(dǎo)通損耗受導(dǎo)通電流的影響更加明顯，但在開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz時(shí)，導(dǎo)通電流由5 A增加到10 A時(shí)，MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗由10.48 W降低到10.04 W；在開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz時(shí)，導(dǎo)通電流由5 A增加到10 A時(shí)，二極管的導(dǎo)通損耗由6.08 W降到5.4 W。導(dǎo)通電流不變時(shí)，隨著開(kāi)關(guān)頻率的增大，碳化硅功率器件的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)增大，導(dǎo)通損耗會(huì)減小。

由圖 4(a)、圖4(b)對(duì)比可知，在同一工況下，即導(dǎo)通電流和開(kāi)關(guān)頻率不變時(shí)，平均溫度上升50℃，功率器件的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗均會(huì)增大，但導(dǎo)通損耗受溫度影響較大，原因是隨著溫度升高，MOSFET的導(dǎo)通電阻會(huì)增大。

采用MOSFET體二極管續(xù)流時(shí)的損耗分布情況如圖 5所示，由圖 4(a)和圖 5對(duì)比可知，外接反并聯(lián)碳化硅肖特基二極管后MOS管的損耗會(huì)相對(duì)降低，但同樣也會(huì)帶來(lái)二極管的額外損耗，總損耗會(huì)減小5.86 W。在考慮成本且散熱要求不是很嚴(yán)峻的條件下，可以選擇不帶反并聯(lián)二極管的設(shè)計(jì)方案。因此，本文選擇不帶反并聯(lián)二極管的方案。

圖5 采用MOSFET體二極管時(shí)的損耗分布情況(散熱器溫度75℃)

2 散熱方案設(shè)計(jì)

控制器的主要熱源是碳化硅MOSFET，在導(dǎo)通電流為5 A，頻率為20 kHz時(shí)，其總損耗功率為30.19 W，即單管損耗P0=5.03 W。熱量主要由功率器件傳導(dǎo)給散熱器，再通過(guò)散熱器與空氣熱交換進(jìn)行冷卻。功率器件安裝模型如圖 6所示。

圖6 功率器件安裝模型

2.1 熱阻計(jì)算

由碳化硅功率器件的安裝模型可對(duì)功率器件到散熱器結(jié)構(gòu)之間的熱阻進(jìn)行簡(jiǎn)化，其熱阻等效電路如圖 7所示。

圖7 熱阻等效電路

傳熱過(guò)程中總熱阻為

R=Rjc+Rch+Rha

(6)

式中，Rjc為MOSFET結(jié)到殼的熱阻；Rch為MOSFET殼到散熱器的熱阻；Rha為散熱器到環(huán)境的熱阻。

MOSFET殼到散熱器的熱阻為

(7)

式中，δ為截面接觸材料厚度；K為接觸材料導(dǎo)熱系數(shù)；A為接觸面積。

查C2M0045170P使用手冊(cè)知：TJmax=150℃，Rjc=0.22℃/W，為使散熱方案留有一定的余量，取Tjmax=135℃，Ta=55℃。

散熱器熱阻為

(8)

因此,散熱器的熱阻應(yīng)不大于15.54℃/W。

2.2 選擇散熱方案

本文擬提出4種散熱方案，如圖 8(a)、圖8(b)、圖8(c)、圖8(d)所示，分別是熱管散熱，熱管翅片散熱，貼底翅片散熱，貼底熱管翅片散熱。

圖8 四種散熱方案

散熱方案一如圖 8(a)所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)為200mm×180mm×60mm，先把鋁條固定在控制器殼體上，安裝兩根8mm×3mm的熱管后，在各接觸面上抹上導(dǎo)熱硅脂，保證熱管與MOS管接觸正常。散熱方案二在散熱方案一的基礎(chǔ)上在機(jī)殼側(cè)邊增加了翅化結(jié)構(gòu)，翅片高度25 mm，厚度4 mm，間距6 mm，如圖 8(b)所示。為驗(yàn)證哪種散熱方案的散熱效果最好，將散熱方案二、三和四的散熱面積保持一致。散熱方案三如圖 8(c)所示，將MOS管貼底布置，相比于散熱方案一，散熱方案三在機(jī)殼底面增加了縱向翅化結(jié)構(gòu)，其翅片高度為15 mm，厚度為4 mm，間距為6 mm。散熱方案四在散熱方案三的基礎(chǔ)上將機(jī)殼底部縱向翅化結(jié)構(gòu)改為橫向翅化結(jié)構(gòu)，其翅片高度為15 mm，厚度為4 mm，間距為6 mm，同時(shí)在底部布置6根熱管，如圖 8(d)所示。其中散熱方案四的加工工藝要求最高，造價(jià)最高。

3 控制器熱仿真

3.1 幾何模型搭建

目前，在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)使用的CFD熱學(xué)仿真軟件主要有Flotherm，Icepak和6SigmaET，但Flotherm網(wǎng)格劃分較麻煩，Icepak軟件較復(fù)雜，界面不友好。與此相比，6SigmaET操作界面簡(jiǎn)單友好，可自動(dòng)畫網(wǎng)格，可減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研制成本，縮短產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)周期，但其自帶數(shù)據(jù)庫(kù)里的材料種類較少，需要補(bǔ)充或?qū)搿?/p>

采用Creo軟件進(jìn)行三維建模，然后對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化后導(dǎo)入6SigmaET中進(jìn)行功率器件的建模即可完成幾何模型的搭建。

3.2 邊界條件確定

根據(jù)控制器實(shí)際工作的環(huán)境溫度55℃和環(huán)境風(fēng)速在為1 m/s設(shè)置仿真的邊界條件后，將控制器內(nèi)各零部件賦予相應(yīng)的材料和屬性后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)功率器件進(jìn)行二次網(wǎng)格劃分以確保精確度。

3.3 結(jié)果分析

通過(guò)6SigmaET自帶的求解器，求得四種散熱方案下的功率器件溫度場(chǎng)分布如圖9所示。

圖9 四種散熱方案的MOS管溫度云圖

由圖9可知，散熱方案一和二的各MOS管的溫差較大，越靠近中間溫度越高，最高溫與最低溫的溫差有8～9℃。散熱方案三和散熱方案四的各MOS管的溫差較小，散熱均勻。從散熱效果上來(lái)看，散熱方案三和四的散熱效果更好。散熱方案四從左往右MOS管的結(jié)溫越來(lái)越高，原因是風(fēng)向問(wèn)題，處在下風(fēng)處的MOS管溫度自然就比處在上風(fēng)處的MOS管溫度高1℃，進(jìn)而形成了如圖 9(d)的溫差效果。

表1 四種散熱方案的MOSFET結(jié)溫對(duì)比

表1給出了四種散熱方案下的MOSFET的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比，可以得出基本結(jié)論：4種散熱方案均能滿足散熱要求，相比于方案一，方案二在壁面增加翅化結(jié)構(gòu)后MOS管的最高結(jié)溫、最低結(jié)溫、平均結(jié)溫均降低了11℃，但其控制器體積增大了20%，功率密度降低。與方案三相比，方案四增加熱管后MOS管的最高結(jié)溫、最低結(jié)溫、平均結(jié)溫均降低了7℃。與方案二相比，方案四的散熱效果溫、平均結(jié)溫分別降低了21、21、17℃。綜上所述，方案四的散熱效果最好，相比于方案一，方案四的MOS管平均結(jié)溫降低了28℃。

表2 翅片厚度4mm時(shí)不同翅片間距的方案四MOS管結(jié)溫對(duì)比

表2給出了翅片厚度為4 mm，翅片間距分別為4、6、8 mm時(shí)方案四的MOS管結(jié)溫對(duì)比數(shù)據(jù)，翅片間距為6 mm時(shí)的MOS管平均結(jié)溫低于翅片間距為8 mm時(shí)MOS管平均結(jié)溫5.62℃。

表3 翅片間距6mm時(shí)不同翅片厚度的方案四MOS管結(jié)溫對(duì)比

表3給出了翅片間距為6 mm，翅片厚度分別為2、4、6 mm時(shí)方案四的MOS管結(jié)溫對(duì)比數(shù)據(jù)，翅片厚度為4 mm時(shí)的MOS管平均結(jié)溫低于翅片厚度為6 mm時(shí)MOS管平均結(jié)溫6.93℃。

由此可知，翅片間距為6 mm，翅片厚度為4 mm的設(shè)計(jì)方案是這幾種設(shè)計(jì)中散熱效果最好的方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在特定環(huán)境下，對(duì)微特電機(jī)控制器的4種散熱方案進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過(guò)對(duì)散熱方案的設(shè)計(jì)和分析，得出以下結(jié)論：

(1)四種散熱方案均滿足散熱要求，但貼底熱管翅片散熱的散熱效果優(yōu)于僅靠熱管傳熱的散熱效果，MOS管最高結(jié)溫降低了32.2℃。

(2)在同樣的散熱體積下，翅片的位置以及翅片間距、厚度都影響其散熱效果，合理設(shè)計(jì)翅片間距和厚度可以有效提高散熱效果，翅片間距和翅片厚度分別為6 mm和4 mm散熱效果最好。