永磁電機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

永磁電機以其效率高，調速范圍廣、噪聲低等一系列優點在家用空調、家用凈化器、油煙機、洗碗機等家用領域普及使用。

功率模塊是永磁電機控制器核心器件，其電流導通能力及工作穩定性關系到電機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溫。結溫越高，芯片導通電流越小。電機使用環境是間隔工作模塊，模塊長期在此高—低溫工作，出現芯片內部材料熱脹冷縮，導致器件可靠性下降，使用壽命大幅降低。

本文采用控制器與電機本體一體化結構設計，將控制器安裝在電機內腔凸臺或骨架上，保持合理尺寸，讓控制器的模塊與電機端蓋緊密接觸，利用電機端蓋對IPM 模塊散熱。采用此種安裝結構，比控制器單獨放在電機外面有明顯優勢，一方面是電機可以利用自身旋轉產生的風流為模塊散熱，加快模塊熱量散發；另一方面模塊利用電機端蓋進行散熱，無需額外增加散熱器，成本低廉；同時控制器自帶有感應溫度功能，安裝在電機內腔能實時感應到電機內部工作環境溫度，控制器可以根據電機工作溫度實時調節工作電流，避免電機出現過載、超負荷運行損壞。

通過試驗測試及大批量應用數據: 本文提出的創新方法，模塊散熱效果優良，電機可靠性高，適用型強。

1 IPM 模塊散熱

1.1 熱量產生原因

IPM 模塊在工作時，芯片的MOSFET/IGBT以較高頻率反復開關、導通，而開關、導通過程存在電流電壓重疊區域，從而產生開關損耗，同時MOSFET存在導通電阻、IGBT存在導通壓降，在電流流過時產生導通損耗。此兩方面損耗能量轉化成熱量，導致使功率模塊晶元溫度升高。電機端蓋主要作用之一是將模塊產生熱量迅速導出，通過表面輻射到周圍環境，讓模塊表面溫度冷卻下來。加快模塊散熱，主要任務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，無法有效把模塊熱量傳遞到端蓋。本論文通過采用導熱介質，讓模塊與電機端蓋緊密接觸。電機端蓋通常為鋁合金型材，模塊熱量通過導熱介質傳導到電機端蓋，端蓋溫度越高，熱輻射就越強，模塊散熱效果就越高，同時流經電機氣流帶走端蓋大量的熱量，模塊散熱效果進一步加強。

1.3 導熱介質

導熱介質分為導熱硅膠和導熱墊片。導熱硅膠成本低廉，在未凝固前流動性好，受力會自然擴散，避免出現控制器受應力應變損傷，采用導熱硅膠適應機型廣，通用型強，但一般導熱系數不高。

導熱墊片一邊具有較高導熱系數，導熱性能較好，生產工藝簡單，效率高，現階段逐步在電機行業應用，有代替導熱硅膠趨勢。但由于導熱墊片屬于固體，受力無法自由流通，從而把受到應力傳遞到控制器，導致PCB板變形，嚴重導致片狀器件斷裂損壞。所以使用導熱墊片需要對電機壓蓋做應力應變測試，同時需要針對模塊外形進行定制。

導熱介質的導熱系數越大，導熱能力就越強，同等電流下，功率模塊的晶元溫度就越低。在實際應用中，選擇導熱介質導熱系數，需確保在惡劣的外部條件下，功率模塊的結溫度不超過允許最大值，并預留一定裕量。

2 模塊結溫計算方法

IPM結溫測試需通過廠家提供特殊樣品，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。

實際產品開發評估模塊結溫是否超標，一般通過測試模塊表面溫度，理論計算模塊工作損耗，結合模塊熱阻推算晶元結溫。模塊損耗分為開關損耗及導通損耗。

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

2.1 導通損耗

IGBT的VCE(sat)電壓或MOSFET導通電阻的VDS電壓與導通電流可以用圖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導通電阻電壓隨電流增大而變化較大。

圖1 導通電壓及導通電流關系

式中：

Pcond —功率模塊的導通損耗功率；

VCEsat—IGBT的 漏源極飽和電壓；

VDS—MOSFET的導通電阻之間電壓；

IC—IGBT或MOSFET的導通電流。

由圖1可以看出，當電流大0.6 A時，MOSFET的導通損耗大于IGBT。因為此特性差異，一般大電流應用領域采用IGBT型的模塊，小電流應用MOSFET型模塊。

2.2 開關損耗

功率模塊在開通和關斷過程，MOSFET或IGBT的漏源極之間存在較大壓降，在電壓和電流重疊區引起損耗。

功率模塊開通及關斷過程損耗能量：

式中:

EON—模塊的開通損耗；

EOFF—模塊的關斷損耗；

Vce—MOSFET或IGBT的漏源極壓降；

IC—MOSFET或IGBT開通或關斷時電流；

PSW—模塊的開關損耗能量；

Fsw—模塊的開關頻率。

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

圖2 開關損耗

由公式（3）可以看出，模塊開關損耗與開關頻率成正比關系，頻率越高，損耗越大。在實際應用中，開關頻率在避開音頻敏感區，盡量選取低頻，以減少功率模塊損耗。

2.3 功率模塊的結溫計算

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

式中：

ΔTjc—模塊的殼與結之間溫差；

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，當導通電流≥0.5 A rms時，SIM6822模塊晶元結溫與SIM6812相當，使用IGBT型模塊略有優勢。當導通電流高達1 A rms時，MOSFET型模塊結溫已超過模塊最大允許值，而IGBT型模塊結溫仍在模塊允許工作范圍內，在此條件下，使用IGBT類型模塊優勢明顯。

圖3 0.5 Arms下損耗及溫升

圖4 1 Arms下損耗及溫升

在模塊及電機結構確定后，模塊熱阻、端蓋熱阻就無法再改變。當在實際項目應用中，如模塊結溫超標時，可以通過更換更大規格模塊或改善電機散熱環境，如讓流動氣體盡可能度流經電機，讓模塊產生熱量盡快散發。但這涉及到整機結構更改或控制器重新設計，成本浪費高，周期長。

為了有效解決模塊溫升問題，本文提供一種思路，通過更改模塊與端蓋之間介質的導熱系數，迅速降低模塊溫升。如當前項目采用通用導熱系數為0.8的導熱硅膠 ，如需要進一步降低模塊溫升，可以采用高一規格的導熱系數導熱介質。

3 實驗驗證

在正常工作條件下，以凱邦電機其中一款商用電機為例，該電機額定輸入功率為200 W，轉速在1 800 rpm。控制器主電路采用三相全橋IGBT型的 IPM模塊，算法采用空間矢量FOC控制，7段式調制，開關頻率為20 kHz。

在此條件下功率模塊工作時所產生熱損耗的計算結果如表 1。

表1 模塊工作損耗

假設模塊表面溫度100 ℃，根據 公式（4）、（5），公式中的可計算出模塊結溫高達141 ℃，無法滿足應用要求，需把模塊表面溫度降低到84 ℃，即表面溫度降低△ 16 ℃。

在電機結構、控制器定型后，模塊溫升超標，為了實現溫度下降，除了可以更換成PIN TO PIN大一規格IPM或更改成大電流類型IPM外，如MOS更換成IGBT型實現溫度下降。還可以通過選擇更高導熱系數，此整改方法成本低，開發周期短，成效明顯。

在同樣測試工況下，使用不同系數導熱墊片，IPM表面溫升如圖5。

圖5 不同導熱墊片模塊表面溫度

4 結論

1）本文將模塊及電機結構結合一體，研究了模塊溫升產生機理及熱量消散方式及改善措施。

在電流小于0.5 A rms應用領域，使用MOSFET類型在溫升、成本方面有一定優勢；在電流大于1 A rms應用領域，使用IGBT類型在溫升方面有較大優勢。

控制器內置到電機，不僅可以無需外置散熱器、密封性好，同時可以利用風道加快模塊散熱效果，成本低，可靠性高。

2）從理論分析及實際驗證，在其他條件不變情況下，模塊表面、晶圓的溫升隨著導熱介質的導熱系數增大而降低。

使用此方式，可以根據不同負載環境使用不同導熱系數散熱墊片，電機通用性強，開發周期短，可以迅速實現大批量生產，可靠性高，風險可控性好。