雙面水冷IGBT在車載電機控制器中的應用

2021-11-16 01:45:58霍達，胡磊

微特電機 2021年10期

霍達，胡磊

(東風汽車公司技術中心，武漢 430000)

0 引言

新能源汽車使用電驅動系統作為動力源，其電機控制器作為主要的電力轉換與傳輸部件，在車輛行駛中會產生較多的熱量，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鍵。絕緣柵雙極晶體管(以下簡稱IGBT)是電機控制器內的核心部件，運行溫度是影響其性能和可靠性的關鍵因素。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，相應的，晶體管會產生更多的熱量。傳統的單面水冷式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，產生較高的損耗，降低效率。

同時，高功率電機通常會適配后驅車型，為了追求車內乘坐空間，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，電驅動系統需采用高度集成式的設計，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的結構及封裝，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，并為IGBT設計了配套的散熱器。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計了散熱結構，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計方面，采用集成式設計，可以與電機、減速箱裝配為集成式電驅動總成。控制器的布置方式有效降低了電驅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 方案設計

1.1 雙面水冷IGBT及散熱器模塊

本文設計的雙面水冷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及配套設計的散熱器，另外在高壓端設計了絕緣支架，可以起到對端子的固定和保護作用，另一方面可以實現和端子與散熱器之間的絕緣。

圖1 雙面水冷散熱器

本設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的低壓端子。兩個直流端子分別與電機控制器內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，可實現對IGBT的雙面冷卻。相比傳統的單面冷卻封裝，帶來的直接優勢是可以獲得較高的輸出電流，提高電驅動總成的輸出功率，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。結合當前市面上現有的IGBT型號，本文采用6個雙面水冷IGBT，兩兩并聯，可以為電機輸出單相最高1 200 A的電流，電驅動總成最大功率可以達到240 kW。

圖2 雙面水冷IGBT

在冷卻系統方面，整個雙面水冷模塊設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，與整車冷卻系統相連接，出液口直接與電機冷卻水道硬連接，實現電驅動系統的冷卻系統集成，減少了外部管路的使用。

雙面水冷IGBT配套散熱器設計方案如圖3所示。三對兩兩并聯的IGBT并排放置，散熱器水道由三個分布在IGBT兩側的水道并聯而成，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，有利于提高散熱器的導熱性能，降低散熱器整體質量。焊接工藝的使用減少了密封圈和螺栓的數量，簡化整體結構，有效降低整個IGBT散熱模塊的體積和質量。

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，使每個IGBT與散熱器接觸的正反兩面均有冷卻液的流動，實現雙面水冷。圖4展示了流道內流速分布的仿真結果。

圖4 散熱器剖面

實際上，僅由水冷板組成的冷卻水道內，冷卻液與散熱面的接觸面積很小，不足以體現出散熱能力，需要在流道內加入一些復雜結構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構，如圖5所示，翅片通過焊接固定在水冷板上，三個并聯的水道內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型翅片結構

在三個并聯水道內均加入翅片，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，加入翅片結構與無翅片結構，在進液口溫度65 ℃，冷卻介質為乙二醇水溶液(50∶50)時，熱阻降低46%，流阻增大5%。

圖6 有無翅片時，熱阻、流阻的仿真數據對比

1.2 疊層母排及散熱結構

三相銅排是電機控制器內部重要的電力傳輸部件，IGBT產生的三相交流電通過三相銅排輸出給驅動電機。在設計中，由于設計空間有限，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。疊層母排結構緊湊，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勢的部件。

但是，隨著電機控制器功率的提升，疊層母排的發熱問題變得嚴峻，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，再加上重疊的設計，使三根銅排的散熱面減少，在大功率運行時，銅排產生的熱量無法散出，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疊層母排的發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。疊層母排散熱結構如圖7所示。

圖7 疊層母排散熱結構

水冷板上設計有散熱凸臺，并采用了翅片設計，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表面，最終由冷卻液帶走熱量，從而實現對疊層母排的散熱。

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 壓板結構

溫度分布云圖及計算結果如圖9所示。通過計算，散熱結構的加入可以明顯降低疊層母排的溫度。加入散熱結構與無散熱結構相比較，在環境溫度85 ℃，冷卻液溫度65 ℃，冷卻介質為乙二醇水溶液(50∶50)時，疊層母排最高溫度降低8%，銅排損耗降低5%。

圖9 有無散熱結構時，最高溫度和銅損的仿真數據對比

1.3 薄膜電容及散熱結構

由于電機控制器功率較大，薄膜電容的發熱也較為嚴重，較高的工作溫度會降低薄膜電容的壽命及可靠性，為此，需要對電容設計散熱結構。本文中薄膜電容的外殼設計有散熱凸臺，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，實現對薄膜電容的散熱。薄膜電容如圖10所示。