一種車用電控單元散熱器設(shè)計(jì)與測(cè)試

0引言

近年來，電子技術(shù)在汽車，特別是新能源汽車上得到了廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展.同時(shí)，人們對(duì)汽車功能要求的不斷增多，使得汽車電器設(shè)備的集成度也越來越高，汽車電器設(shè)備的功能集成化.大功率.小型化是汽車電子未來的發(fā)展方向.

隨著電子產(chǎn)品輕薄小型化.高性能化.IC器件高集成化的發(fā)展，電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量使內(nèi)部溫度迅速上升，如果不及時(shí)將該熱量散發(fā)，設(shè)備會(huì)繼續(xù)升溫，器件就會(huì)因過熱而失效，電子設(shè)備的可靠性將下降，甚至造成芯片被瞬間擊穿而損壞.因此對(duì)電子產(chǎn)品的散熱能力提出了更改的要求，同時(shí)推動(dòng)了電子產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高.

1熱量產(chǎn)生及散熱器熱傳導(dǎo)分析

電子器件作為汽車電控設(shè)備系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，既要使汽車電控設(shè)備的性能滿足整車要求，也要保證汽車電控設(shè)備具有足夠的安全性和可靠性.對(duì)于在現(xiàn)有技術(shù)下提供的汽車電控設(shè)備，為了達(dá)到更高的能量密度與功率密度，功率驅(qū)動(dòng)單元模塊大多通過多個(gè)功率單管間的串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成，這樣功率模塊的輸出電壓或輸出電流將大大提高，以滿足對(duì)汽車的驅(qū)動(dòng)要求.在工作過程中，汽車電設(shè)備的功率驅(qū)動(dòng)PCB總成是熱量產(chǎn)生的最主要來源.

熱量傳導(dǎo)過程分析：功率器件表面貼裝在電路層，器件所產(chǎn)生的熱量通過絕緣層傳導(dǎo)到金屬基層，然后由金屬基板擴(kuò)展到模塊外部，與外界環(huán)境實(shí)現(xiàn)熱交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的散熱，如圖l所示.

金屬基板采用何種金屬，主要取決于熱膨脹系數(shù).熱傳導(dǎo)能力.強(qiáng)度.硬度.重量.表面狀態(tài)和成本.金屬基板基本都采用了鋁板.

鋁材散熱器是使用鋁合金材料通過擠壓成型，為增大單位體積的散熱面積，成型后的散熱器上呈現(xiàn)波紋齒，這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了散熱器的散熱能力.有效減小了功率模塊和散熱器之間的導(dǎo)熱內(nèi)阻，能夠快速把功率模塊上的熱量導(dǎo)出，及時(shí)為功率模塊冷卻;為了補(bǔ)充機(jī)械加工中的缺陷，在散熱器平面上涂覆一層100 u m的導(dǎo)熱膏填充散熱器和功率模塊之間接合時(shí)的細(xì)小空間，這要求在加工過程中對(duì)功率器件的安裝面進(jìn)行表面機(jī)械加工處理，并保證具有一定的平面度.粗糙度.總之，散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).表面處理和導(dǎo)熱輔料的涂覆，為功率模塊創(chuàng)造了良好的外部散熱環(huán)境，可以保證功率模塊的可靠與穩(wěn)定地運(yùn)行，延長(zhǎng)了功率模塊的工作壽命.

2散熱器設(shè)計(jì)

散熱片通過對(duì)流和輻射散熱，其中對(duì)流散熱占主導(dǎo).參考鰭片形狀(如圖2和表1所示)設(shè)計(jì)資料，對(duì)主要尺寸進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：

(1)根據(jù)控制器的安裝位置，短風(fēng)道風(fēng)阻小.盡可能增加散熱表面積，同時(shí)選擇鰭片平行于散熱底板短邊.

(2)鰭片之間的間隔.由于BSG控制器安裝位置空氣流速隨不同工況變化較大，且有時(shí)會(huì)工作在空氣流速接近為0的工況下，為保證在較低風(fēng)速下散熱底板能有效散熱，要求鰭片間有足夠的間距.但過大的鰭片間距會(huì)造成鰭片數(shù)目的減小而減小散熱片面積，從而減小散熱片的散熱能力.在散熱片壁面會(huì)因?yàn)楸砻娴臏囟茸兓a(chǎn)生自然對(duì)流，造成壁面的空氣層流，空氣層的厚度約為2mm,鰭片間隔應(yīng)在4mm以上才能確保自然對(duì)流順利.此時(shí)散熱底板齒間距為8mm左右.

(3)鰭片厚度.控制器工作在起動(dòng)狀態(tài)時(shí)，功率管的瞬態(tài)電流較大，因此控制器有較大的瞬態(tài)熱沖擊，要求散熱底板鰭片有足夠的厚度.當(dāng)鰭片的形狀固定，厚度及高度的平衡變得很重要，特別是鰭片過厚而高度不夠時(shí)，會(huì)造成前端傳熱的困難，使得散熱片即使體積增加也無法增加效率.散熱片過薄而高度變短時(shí)，增加了表面積但會(huì)使散熱片的體積減小而造成散熱能力下降.根據(jù)參考值，鰭片厚度設(shè)計(jì)為4mm,拔模角為3

(4)由于功率管在控制器散熱底板上不是完全均布，為保證有效散熱，在功率管較為集中的地方盡量多分布散熱鰭片.[!--empirenews.page--]

(5)根據(jù)對(duì)流換熱的基本公式知，盡可能增加散熱底板的散熱表面積，可以有效增加散熱底板的散熱能力，可以通過在鰭片表面增加波紋齒的情況下有效增加散熱底板的散熱表面積.但考慮到熱傳導(dǎo)和風(fēng)阻的影響，波紋齒的深度不超過0.5mm為宜.

綜合考慮以上情況并結(jié)合PCB驅(qū)動(dòng)板及控制器整體形狀，散熱底板設(shè)計(jì)如圖3所示.

3散熱器熱仿真與試驗(yàn)分析

3.1仿真結(jié)果

對(duì)設(shè)計(jì)的散熱器，按如下條件進(jìn)行CAE建模仿真：

按總熱耗功率80W,將熱耗功率平均分布在散熱器上進(jìn)行仿真，每次仿真熱監(jiān)控點(diǎn)：2個(gè)(PCB板.散熱器中心位置各一個(gè))，當(dāng)散熱器中心位置的溫度變化在30min不超多l(xiāng)℃時(shí)，認(rèn)為散熱器達(dá)到熱平衡，仿真結(jié)束.通過仿真結(jié)果如表2:

3.2試驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得在80W,55W,30W的功率下，散熱器中心平衡溫度的溫升分別約為73℃.54℃.27℃，PCB板中心溫度的溫升分別約為72℃.55℃.37℃如圖4.

4結(jié)論

通過比較仿真與測(cè)試實(shí)驗(yàn)的溫升數(shù)據(jù)比較，它們的溫升差異不大，且在無風(fēng)的狀態(tài)下溫升不超過90℃.

同時(shí)，考慮到控制器的安裝位置.環(huán)境溫度.工況因素等，可知散熱器中心溫度達(dá)到110℃左右屬于很正常的情況，而此時(shí)功率管外殼溫度起碼有120℃，離它的工作極限溫度160℃(此時(shí)漏極電流會(huì)顯著減小)還有一定適當(dāng)距離，因此散熱器設(shè)計(jì)是比較合理的.