永磁電機(jī)IPM散熱研究

吳文賢 高明世 李 寧

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

永磁電機(jī)以其效率高，調(diào)速范圍廣、噪聲低等一系列優(yōu)點(diǎn)在家用空調(diào)、家用凈化器、油煙機(jī)、洗碗機(jī)等家用領(lǐng)域普及使用。

功率模塊是永磁電機(jī)控制器核心器件，其電流導(dǎo)通能力及工作穩(wěn)定性關(guān)系到電機(jī)工作功率范圍及使用壽命。影響功率模塊最大工作電流及可靠性最大因素是芯片晶元結(jié)溫。結(jié)溫越高，芯片導(dǎo)通電流越小。電機(jī)使用環(huán)境是間隔工作模塊，模塊長(zhǎng)期在此高—低溫工作，出現(xiàn)芯片內(nèi)部材料熱脹冷縮，導(dǎo)致器件可靠性下降，使用壽命大幅降低。

本文采用控制器與電機(jī)本體一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將控制器安裝在電機(jī)內(nèi)腔凸臺(tái)或骨架上，保持合理尺寸，讓控制器的模塊與電機(jī)端蓋緊密接觸，利用電機(jī)端蓋對(duì)IPM 模塊散熱。采用此種安裝結(jié)構(gòu)，比控制器單獨(dú)放在電機(jī)外面有明顯優(yōu)勢(shì)，一方面是電機(jī)可以利用自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)流為模塊散熱，加快模塊熱量散發(fā)；另一方面模塊利用電機(jī)端蓋進(jìn)行散熱，無(wú)需額外增加散熱器，成本低廉；同時(shí)控制器自帶有感應(yīng)溫度功能，安裝在電機(jī)內(nèi)腔能實(shí)時(shí)感應(yīng)到電機(jī)內(nèi)部工作環(huán)境溫度，控制器可以根據(jù)電機(jī)工作溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)工作電流，避免電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載、超負(fù)荷運(yùn)行損壞。

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試及大批量應(yīng)用數(shù)據(jù): 本文提出的創(chuàng)新方法，模塊散熱效果優(yōu)良，電機(jī)可靠性高，適用型強(qiáng)。

1 IPM 模塊散熱

1.1 熱量產(chǎn)生原因

IPM 模塊在工作時(shí)，芯片的MOSFET/IGBT以較高頻率反復(fù)開(kāi)關(guān)、導(dǎo)通，而開(kāi)關(guān)、導(dǎo)通過(guò)程存在電流電壓重疊區(qū)域，從而產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)MOSFET存在導(dǎo)通電阻、IGBT存在導(dǎo)通壓降，在電流流過(guò)時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)通損耗。此兩方面損耗能量轉(zhuǎn)化成熱量，導(dǎo)致使功率模塊晶元溫度升高。電機(jī)端蓋主要作用之一是將模塊產(chǎn)生熱量迅速導(dǎo)出，通過(guò)表面輻射到周?chē)h(huán)境，讓模塊表面溫度冷卻下來(lái)。加快模塊散熱，主要任務(wù)是提供較低熱阻通道，讓模塊熱量迅速傳遞到端蓋表面。

1.2 散熱方式

功率模塊與端蓋之間存在間隙，無(wú)法有效把模塊熱量傳遞到端蓋。本論文通過(guò)采用導(dǎo)熱介質(zhì)，讓模塊與電機(jī)端蓋緊密接觸。電機(jī)端蓋通常為鋁合金型材，模塊熱量通過(guò)導(dǎo)熱介質(zhì)傳導(dǎo)到電機(jī)端蓋，端蓋溫度越高，熱輻射就越強(qiáng)，模塊散熱效果就越高，同時(shí)流經(jīng)電機(jī)氣流帶走端蓋大量的熱量，模塊散熱效果進(jìn)一步加強(qiáng)。

1.3 導(dǎo)熱介質(zhì)

導(dǎo)熱介質(zhì)分為導(dǎo)熱硅膠和導(dǎo)熱墊片。導(dǎo)熱硅膠成本低廉，在未凝固前流動(dòng)性好，受力會(huì)自然擴(kuò)散，避免出現(xiàn)控制器受應(yīng)力應(yīng)變損傷，采用導(dǎo)熱硅膠適應(yīng)機(jī)型廣，通用型強(qiáng)，但一般導(dǎo)熱系數(shù)不高。

導(dǎo)熱墊片一邊具有較高導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱性能較好，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，效率高，現(xiàn)階段逐步在電機(jī)行業(yè)應(yīng)用，有代替導(dǎo)熱硅膠趨勢(shì)。但由于導(dǎo)熱墊片屬于固體，受力無(wú)法自由流通，從而把受到應(yīng)力傳遞到控制器，導(dǎo)致PCB板變形，嚴(yán)重導(dǎo)致片狀器件斷裂損壞。所以使用導(dǎo)熱墊片需要對(duì)電機(jī)壓蓋做應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試，同時(shí)需要針對(duì)模塊外形進(jìn)行定制。

導(dǎo)熱介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)越大，導(dǎo)熱能力就越強(qiáng)，同等電流下，功率模塊的晶元溫度就越低。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇導(dǎo)熱介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，需確保在惡劣的外部條件下，功率模塊的結(jié)溫度不超過(guò)允許最大值，并預(yù)留一定裕量。

2 模塊結(jié)溫計(jì)算方法

IPM結(jié)溫測(cè)試需通過(guò)廠家提供特殊樣品，即在模塊的IGBT/MOS晶元布置熱電偶。此方式樣品提供難度大，周期長(zhǎng)。

實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)評(píng)估模塊結(jié)溫是否超標(biāo)，一般通過(guò)測(cè)試模塊表面溫度，理論計(jì)算模塊工作損耗，結(jié)合模塊熱阻推算晶元結(jié)溫。模塊損耗分為開(kāi)關(guān)損耗及導(dǎo)通損耗。

本論文以三墾模塊SIM6812（MOSFET型）與SIM6822（IGBT型）為例，其他模塊計(jì)算原理基本一樣。

2.1 導(dǎo)通損耗

IGBT的VCE(sat)電壓或MOSFET導(dǎo)通電阻的VDS電壓與導(dǎo)通電流可以用圖1近似表示。從圖1看以看出，IGBT隨電流增大，IGBT的VCE(sat)電壓變化不大，而MOSFET導(dǎo)通電阻電壓隨電流增大而變化較大。

圖1 導(dǎo)通電壓及導(dǎo)通電流關(guān)系

式中：

Pcond —功率模塊的導(dǎo)通損耗功率；

VCEsat—IGBT的 漏源極飽和電壓；

VDS—MOSFET的導(dǎo)通電阻之間電壓；

IC—IGBT或MOSFET的導(dǎo)通電流。

由圖1可以看出，當(dāng)電流大0.6 A時(shí)，MOSFET的導(dǎo)通損耗大于IGBT。因?yàn)榇颂匦圆町?，一般大電流?yīng)用領(lǐng)域采用IGBT型的模塊，小電流應(yīng)用MOSFET型模塊。

2.2 開(kāi)關(guān)損耗

功率模塊在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程，MOSFET或IGBT的漏源極之間存在較大壓降，在電壓和電流重疊區(qū)引起損耗。

功率模塊開(kāi)通及關(guān)斷過(guò)程損耗能量：

式中:

EON—模塊的開(kāi)通損耗；

EOFF—模塊的關(guān)斷損耗；

Vce—MOSFET或IGBT的漏源極壓降；

IC—MOSFET或IGBT開(kāi)通或關(guān)斷時(shí)電流；

PSW—模塊的開(kāi)關(guān)損耗能量；

Fsw—模塊的開(kāi)關(guān)頻率。

由公式（2）及圖2可以看出，模塊的開(kāi)關(guān)損耗與導(dǎo)通電流大小有關(guān)，電流越大，模塊開(kāi)關(guān)損耗就越大。

圖2 開(kāi)關(guān)損耗

由公式（3）可以看出，模塊開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比關(guān)系，頻率越高，損耗越大。在實(shí)際應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)頻率在避開(kāi)音頻敏感區(qū)，盡量選取低頻，以減少功率模塊損耗。

2.3 功率模塊的結(jié)溫計(jì)算

根據(jù)模塊的規(guī)格書(shū)或廠家提供的損耗計(jì)算工具，可以計(jì)算模塊工作損耗。然后根據(jù)公式（4）、（5）可以計(jì)算出模塊晶元溫度：

式中：

ΔTjc—模塊的殼與結(jié)之間溫差；

Rth—模塊的熱阻；

Tj—模塊的晶元的溫度；

Ta—模塊的工作環(huán)境溫度。

以三墾廠家的SIM622與SIM6812為例，兩款模塊都工作在相同條件下，從圖3、圖4可以看出，當(dāng)導(dǎo)通電流≥0.5 A rms時(shí)，SIM6822模塊晶元結(jié)溫與SIM6812相當(dāng)，使用IGBT型模塊略有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)導(dǎo)通電流高達(dá)1 A rms時(shí)，MOSFET型模塊結(jié)溫已超過(guò)模塊最大允許值，而IGBT型模塊結(jié)溫仍在模塊允許工作范圍內(nèi)，在此條件下，使用IGBT類(lèi)型模塊優(yōu)勢(shì)明顯。

圖3 0.5 Arms下?lián)p耗及溫升

圖4 1 Arms下?lián)p耗及溫升

在模塊及電機(jī)結(jié)構(gòu)確定后，模塊熱阻、端蓋熱阻就無(wú)法再改變。當(dāng)在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，如模塊結(jié)溫超標(biāo)時(shí)，可以通過(guò)更換更大規(guī)格模塊或改善電機(jī)散熱環(huán)境，如讓流動(dòng)氣體盡可能度流經(jīng)電機(jī)，讓模塊產(chǎn)生熱量盡快散發(fā)。但這涉及到整機(jī)結(jié)構(gòu)更改或控制器重新設(shè)計(jì)，成本浪費(fèi)高，周期長(zhǎng)。

為了有效解決模塊溫升問(wèn)題，本文提供一種思路，通過(guò)更改模塊與端蓋之間介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，迅速降低模塊溫升。如當(dāng)前項(xiàng)目采用通用導(dǎo)熱系數(shù)為0.8的導(dǎo)熱硅膠 ，如需要進(jìn)一步降低模塊溫升，可以采用高一規(guī)格的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱介質(zhì)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在正常工作條件下，以凱邦電機(jī)其中一款商用電機(jī)為例，該電機(jī)額定輸入功率為200 W，轉(zhuǎn)速在1 800 rpm?？刂破髦麟娐凡捎萌嗳珮騃GBT型的 IPM模塊，算法采用空間矢量FOC控制，7段式調(diào)制，開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz。

在此條件下功率模塊工作時(shí)所產(chǎn)生熱損耗的計(jì)算結(jié)果如表 1。

表1 模塊工作損耗

假設(shè)模塊表面溫度100 ℃，根據(jù) 公式（4）、（5），公式中的可計(jì)算出模塊結(jié)溫高達(dá)141 ℃，無(wú)法滿足應(yīng)用要求，需把模塊表面溫度降低到84 ℃，即表面溫度降低△ 16 ℃。

在電機(jī)結(jié)構(gòu)、控制器定型后，模塊溫升超標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)溫度下降，除了可以更換成PIN TO PIN大一規(guī)格IPM或更改成大電流類(lèi)型IPM外，如MOS更換成IGBT型實(shí)現(xiàn)溫度下降。還可以通過(guò)選擇更高導(dǎo)熱系數(shù)，此整改方法成本低，開(kāi)發(fā)周期短，成效明顯。

在同樣測(cè)試工況下，使用不同系數(shù)導(dǎo)熱墊片，IPM表面溫升如圖5。

圖5 不同導(dǎo)熱墊片模塊表面溫度

4 結(jié)論

1）本文將模塊及電機(jī)結(jié)構(gòu)結(jié)合一體，研究了模塊溫升產(chǎn)生機(jī)理及熱量消散方式及改善措施。

在電流小于0.5 A rms應(yīng)用領(lǐng)域，使用MOSFET類(lèi)型在溫升、成本方面有一定優(yōu)勢(shì)；在電流大于1 A rms應(yīng)用領(lǐng)域，使用IGBT類(lèi)型在溫升方面有較大優(yōu)勢(shì)。

控制器內(nèi)置到電機(jī)，不僅可以無(wú)需外置散熱器、密封性好，同時(shí)可以利用風(fēng)道加快模塊散熱效果，成本低，可靠性高。

2）從理論分析及實(shí)際驗(yàn)證，在其他條件不變情況下，模塊表面、晶圓的溫升隨著導(dǎo)熱介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)增大而降低。

使用此方式，可以根據(jù)不同負(fù)載環(huán)境使用不同導(dǎo)熱系數(shù)散熱墊片，電機(jī)通用性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)周期短，可以迅速實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，可靠性高，風(fēng)險(xiǎn)可控性好。