雙面水冷IGBT在車載電機控制器中的應(yīng)用

霍 達，胡 磊

(東風汽車公司技術(shù)中心，武漢 430000)

0 引 言

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

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

文獻[1]介紹了一種雙面水冷式IGBT的結(jié)構(gòu)及封裝，文獻[2]介紹了一種采用雙面水冷IGBT的電機控制器。本文介紹了一款電機控制器，設(shè)計最大功率達到240 kW，最大輸出電流1 200 A，功率模塊選用雙面水冷式IGBT，連接形式為6個半橋兩兩并聯(lián)，并為IGBT設(shè)計了配套的散熱器。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整體。散熱器為疊層母排專門設(shè)計了散熱結(jié)構(gòu)，能夠為IGBT和疊層母排同時進行冷卻散熱，在保證IGBT不超過溫度限值的同時，可以將疊層母排的溫度保持在較低水平。在電機控制器整體設(shè)計方面，采用集成式設(shè)計，可以與電機、減速箱裝配為集成式電驅(qū)動總成?？刂破鞯牟贾梅绞接行Ы档土穗婒?qū)動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

1.1 雙面水冷IGBT及散熱器模塊

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

圖1 雙面水冷散熱器

本設(shè)計方案選擇的雙面水冷IGBT如圖2所示。其包括兩個直流輸入端子、一個交流輸出端子和相應(yīng)的低壓端子。兩個直流端子分別與電機控制器內(nèi)母線電容的正負極相連接，交流輸出端子與電機的三相輸入端子相連接，低壓端子直接與驅(qū)動控制電路板焊接。雙面水冷IGBT封裝的正反兩面均附有兩個表面鍍銅的散熱表面，兩個散熱表面與散熱器之間填充導熱材料后，可實現(xiàn)對IGBT的雙面冷卻。相比傳統(tǒng)的單面冷卻封裝，帶來的直接優(yōu)勢是可以獲得較高的輸出電流，提高電驅(qū)動總成的輸出功率，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失效風險，提高了電機控制器的運行可靠性。結(jié)合當前市面上現(xiàn)有的IGBT型號，本文采用6個雙面水冷IGBT，兩兩并聯(lián)，可以為電機輸出單相最高1 200 A的電流，電驅(qū)動總成最大功率可以達到240 kW。

圖2 雙面水冷IGBT

在冷卻系統(tǒng)方面，整個雙面水冷模塊設(shè)計有一個進液口和一個出液口。進液口直接作為電機控制器的進液口，與整車冷卻系統(tǒng)相連接，出液口直接與電機冷卻水道硬連接，實現(xiàn)電驅(qū)動系統(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)計方案如圖3所示。三對兩兩并聯(lián)的IGBT并排放置，散熱器水道由三個分布在IGBT兩側(cè)的水道并聯(lián)而成，每個水道通過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熱系數(shù)，有利于提高散熱器的導熱性能，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，簡化整體結(jié)構(gòu)，有效降低整個IGBT散熱模塊的體積和質(zhì)量。

圖3 水冷板焊接方式

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

圖4 散熱器剖面

實際上，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)加入一些復雜結(jié)構(gòu)來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，翅片通過焊接固定在水冷板上，三個并聯(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。

圖5 雙U型翅片結(jié)構(gòu)

在三個并聯(lián)水道內(nèi)均加入翅片，保證每個IGBT的兩個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，并且可以增強水道內(nèi)的擾流效果，翅片的壁厚較薄，不會明顯增大散熱器的流阻，并可以有效降低熱阻。

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

圖6 有無翅片時，熱阻、流阻的仿真數(shù)據(jù)對比

1.2 疊層母排及散熱結(jié)構(gòu)

三相銅排是電機控制器內(nèi)部重要的電力傳輸部件，IGBT產(chǎn)生的三相交流電通過三相銅排輸出給驅(qū)動電機。在設(shè)計中，由于設(shè)計空間有限，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。隨著對電機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)勢的部件。

但是，隨著電機控制器功率的提升，疊層母排的發(fā)熱問題變得嚴峻，由于銅排被導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，使三根銅排的散熱面減少，在大功率運行時，銅排產(chǎn)生的熱量無法散出，使銅排達到很高的溫度水平。銅排溫度升高會增大銅的電阻，造成更高損耗，降低效率；另一方面，銅排的溫度會烘烤整個控制器腔體，對其他器件的運行造成影響。更重要的是，溫度過高會使銅牌之間的絕緣膜失效，造成嚴重的絕緣故障，如何解決大功率電機控制器內(nèi)疊層母排的發(fā)熱問題是非常重要的。

本文采用一種疊層母排散熱方案，通過雙面水冷散熱器的水冷板來對疊層母排進行散熱。最靠近進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，再加上鋁高效的導熱，可以有效對疊層母排進行散熱。疊層母排散熱結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 疊層母排散熱結(jié)構(gòu)

水冷板上設(shè)計有散熱凸臺，并采用了翅片設(shè)計，在提升凸臺強度的同時，加大了散熱面積。疊層母排通過絕緣導熱墊與從水冷板引伸出的凸臺相接觸，疊層母排產(chǎn)生的熱量通過絕緣導熱墊傳遞給散熱凸臺，散熱凸臺的熱量通過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，從而實現(xiàn)對疊層母排的散熱。

為了保證三相銅排、導熱墊和散熱凸臺之間的貼合緊密程度，本文單獨設(shè)計了一個壓板，如圖8所示，對疊層母排在豎直方向上進行壓緊，一方面可以去除導熱面之間的間隙，提高導熱效率；另一方面可以起到防止疊層母排振動的功能。

圖8 壓板結(jié)構(gòu)

溫度分布云圖及計算結(jié)果如圖9所示。通過計算，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，疊層母排最高溫度降低8%，銅排損耗降低5%。

圖9 有無散熱結(jié)構(gòu)時，最高溫度和銅損的仿真數(shù)據(jù)對比

1.3 薄膜電容及散熱結(jié)構(gòu)

由于電機控制器功率較大，薄膜電容的發(fā)熱也較為嚴重，較高的工作溫度會降低薄膜電容的壽命及可靠性，為此，需要對電容設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)。本文中薄膜電容的外殼設(shè)計有散熱凸臺，裝配后，散熱凸臺面粘貼導熱墊后與雙面水冷散熱器的背面相貼，電容產(chǎn)生的熱量通過導熱墊傳遞給雙面水冷散熱器外殼，最終由冷卻液帶走熱量，實現(xiàn)對薄膜電容的散熱。薄膜電容如圖10所示。

圖10 薄膜電容

溫度分布云圖及計算結(jié)果如圖11所示。通過計算，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，芯卷最高溫度降低6%，銅排最高溫度降低8%。

圖11 有無散熱凸臺時，芯卷和銅排最高溫度仿真數(shù)據(jù)對比

1.4 整體控制器結(jié)構(gòu)

電機控制器最高功率240 kW，整機體積6.15 L，功率密度為39 kW/L。

整個電機控制器內(nèi)部布置如圖12所示，接口部分包括一個冷卻液進液口、一個冷卻液出液口、一個三相輸出接口、一個高壓直流輸入接口和一個信號接口。整機包括一套懸置安裝點，可直接固定在電機與減速器上，形成電驅(qū)動總成。

圖12 控制器整體結(jié)構(gòu)

其中電機控制器的進水管為單獨零件，進水的朝向可以根據(jù)冷卻系統(tǒng)要求進行調(diào)整。出水口與電機進水口對插連接，取消外界水管設(shè)計，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)

總成包括電機控制器、驅(qū)動電機和減速器?？刂破鞑贾迷隍?qū)動電機斜后方，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)計方式，提高集成度，總成之間無線束連接，僅有一個高壓輸入接口和低壓信號接口。電機控制器冷卻水道與驅(qū)動電機冷卻水道硬連接，總成之間無外部管路，總成僅留有一個進液口和一個出液口。

圖13 總成結(jié)構(gòu)

2 結(jié) 語

本文設(shè)計了一款240 kW電機控制器方案，并展示了總成搭載方案，其中功率模塊采用雙面水冷式IGBT，有效提高了電機控制器的功率密度。對高功率大電流帶來的器件發(fā)熱問題，關(guān)鍵器件分別設(shè)計了散熱結(jié)構(gòu)，通過計算評估了散熱效果。電機控制器主要特點有：

1)功率模塊采用雙面水冷式IGBT，并設(shè)計了配套散熱器，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)計了散熱結(jié)構(gòu)，利用雙面水冷散熱器進行散熱，銅排最高溫度降低8%，銅損降低5%。

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

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