碳化硅控制器用膜電容器設計與測試*

2021-11-22 04:18:08陳登峰位超群宋君峰

電機與控制應用 2021年10期

陳登峰, 位超群, 宋君峰

(1.上海汽車電驅動有限公司,上海 201806；2.上海汽車電驅動工程技術研究中心,上海 201806)

0 引言

隨著新能源汽車行業的不斷發展，電驅動系統已成為新能源汽車的核心部分。電機控制器作為新能源汽車三大核心部件之一，在電機控制和整車運行當中起到至關重要的作用[1-2]。目前，電機控制器工作主要通過功率模塊和膜電容器相互配合實現其開關高頻切換完成逆變。膜電容器和功率模塊是車用電機控制器內部體積占比最大的系統組件，尤其是膜電容器的大小直接影響電機控制器的體積和功率密度[3]。傳統工業產品的電容器大多采用電解電容，但電解電容芯子本身發熱較高且壽命衰減過快，并且耐腐蝕性差，很難在新能源汽車中普及應用。相比較而言，薄膜電容具有更好的溫度特性，可以承受同等的反向電壓，還具有更低的等效串聯電感(ESL)和等效串聯電阻(ESR)、更長的使用壽命及更高的安全可靠性，因此，膜電容器在新能源汽車領域被普遍使用[4-5]。電機控制器在新能源汽車實際運行中的工況比較惡劣，因此對整個控制單元內電子器件的耐久性能要求更高，尤其是新能源汽車內部超高的溫度對膜電容器的壽命和可靠性影響較大，甚至可能會導致內部卷繞的金屬薄膜被擊穿而損壞，嚴重的還會發生爆炸[6-7]。

由于新能源汽車對電機控制器更高功率密度和更小體積的要求，控制器所用功率模塊逐漸從傳統硅基IGBT模塊轉向碳化硅基MOSFET模塊。碳化硅模塊的開關頻率非常高，最高開關頻率可達30 kHz。雖然很高的開關頻率可以使得膜電容器體積大幅縮小，但過高的尖峰電流使電容紋波電流的高頻成分增加，發熱也會更加嚴重，因此碳化硅控制器產品對膜電容器在高頻情況下的溫升也提出了更苛刻的條件和更高的要求[8-9]。

本文針對一款在研發碳化硅控制器產品內部所用的膜電容器，通過有限元熱仿真和臺架測試驗證相結合的方法，研究了該膜電容器的溫度分布情況，并通過對比證明了仿真分析結果的有效性，對促進碳化硅控制器用膜電容的高效散熱設計具有一定的參考價值和指導意義。

1 膜電容器設計和布置

圖1所示為本文所設計膜電容器的內部結構。該碳化硅控制器用膜電容器主要包括塑料外殼、灌封樹脂、芯子、絕緣紙和正負母排。其中電容芯子采用聚丙烯金屬化薄膜卷繞而成，可以滿足最高耐溫105 ℃的使用要求。為了進一步提升該膜電容器的紋波電流吸收能力，也為了加快散熱速度、降低熱阻，在膜電容器內正負極母排底部通過增加一層絕緣膜與鋁底板靠緊熱壓在一起。鋁合金材質本身導熱速度快，因此電容正負母排和芯子產生的熱量就可以通過鋁底板快速傳導到控制器箱體底面，由散熱水道帶走，從而有效降低電容溫度，提升過電流能力。

圖1 膜電容器內部結構

圖2所示為膜電容器在碳化硅控制器樣機中的布置方案。該膜電容器安裝固定在碳化硅控制器箱體底面。考慮到碳化硅控制器在高頻下發熱嚴重，為了更好地對膜電容器進行散熱，在膜電容器安裝箱體底部設置有散熱水道。該散熱水道與功率模塊的散熱器連通，形成散熱通道，兩端連通進水管和出水管。膜電容器的輸入端與整車電池輸出端之間用螺栓固定連接，其輸出端與功率模塊的正負輸入端子通過激光焊接固定連接。工作時，冷卻液從進水管流入，首先對膜電容器進行散熱，然后對功率模塊進行散熱冷卻，最后從出水管流出，完成整個散熱冷卻過程。

圖2 膜電容器布置方案

2 有限元熱仿真

2.1 電容仿真熱阻模型

從膜電容器結構模型可以看出，本文所設計膜電容器包含4個相互并聯、豎直放置的電容芯子，各芯子間通過電容器內部正負母排相連。膜電容器內部的寄生參數主要包括芯子寄生電阻、母排寄生電阻、母排寄生電感等。圖3(a)所示為膜電容器與功率模塊的連接結構。不考慮正負母排之間的互感和寄生電阻，通過對芯子和正負母排的等效處理，便可以得到該膜電容器的等效熱阻電路模型，如圖3(b)所示。

圖3 膜電容器連接關系與等效熱阻電路模型

從圖3(b)可以看出，膜電容器的溫升主要來源于電容芯子和母排寄生電阻的發熱。在電流較大的工況下，發熱主要集中在母排上，如果導熱不暢，電容芯子則會被母排反向加熱，持續推高膜電容器的溫升，超過芯子薄膜耐溫(105 ℃)就會引起膜電容器燒壞甚至爆炸。因此，開發碳化硅高頻控制器用膜電容器，有必要借助仿真軟件提前研究內部可能出現的局部熱點，以便提前發現問題，在具體設計時予以解決。

2.2 仿真假設和材料參數

考核新能源汽車膜電容器的熱可靠性時，通常將額定工況下熱穩定狀態的溫度作為參考依據，即熱穩定狀態膜電容器內部溫度不超過105 ℃便可滿足長期耐溫使用要求。額定工況下碳化硅控制器內部熱分布規律較為復雜，既涉及冷卻水道的冷卻效率、碳化硅模塊的發熱、印刷電路板(PCB)器件發熱、膜電容器吸收紋波電流的能力，又涉及電容制造工藝差異和各種材料間的接觸空隙影響等諸多問題。為準確仿真電容器溫升情況，需要對膜電容器在額定工況下的仿真條件做以下假設[10]：(1)額定工況下與膜電容器連接的3個碳化硅模塊發熱均衡，并且其與膜電容器之間的熱傳導僅通過輸入端銅排端子連接進行；(2)膜電容器4個芯子的阻抗相等，連接各芯子的母排寄生參數不因幾何結構的區別而有差異；(3)碳化硅控制器內部PCB上器件溫度恒定，不考慮部分器件產生熱交換引起內部的溫升變化；(4)不考慮膜電容器因材料和工藝差異導致ESR差異的影響；(5)膜電容器內部各個芯子在額定工況下吸收紋波電流的能力保持不變。

通過計算得到額定工況7 000 r/min、85 N·m下膜電容器芯子、正負母排和功率模塊的損耗，如表1所示。膜電容器仿真用材料物理參數如表2所示。

表1 額定工況下損耗數據 W

表2 膜電容器材料物理參數

2.3 仿真結果

為了使仿真條件更加接近膜電容器工作環境狀況，將仿真的環境溫度設置為65 ℃，整個碳化硅控制器冷卻液進口流量設置為8 L/min，入水口冷卻液溫度設置為65 ℃，膜電容器外部對流熱交換系數設定為8 W/(m2·K)，然后使用ANSYS有限元分析軟件對所設計產品進行熱仿真。

圖4所示為膜電容器在額定工況下的熱仿真結果。可以看出，在額定工況下，膜電容器最高溫度出現在母排輸出端與碳化硅模塊連接位置處，為81.41 ℃；膜電容器輸入端母排的溫度較低，為75 ℃；在膜電容器底部因為緊貼散熱水道，散熱最快，溫度最低，為67 ℃；在膜電容器內部，因為熱傳導速度最慢且熱源集中，靠近膜電容器最中心處的芯子溫度最高，為80.38 ℃。

圖4 額定工況下熱仿真結果

3 試驗驗證

為了評估膜電容器熱仿真結果的有效性，制作了膜電容器樣品，并制造了碳化硅控制器樣機，將該膜電容器裝配在碳化硅控制器內部，采用臺架測試的方法實際測試膜電容器在額定工況下的溫升情況。

3.1 試驗準備

制作膜電容器前，根據熱仿真結果，在膜電容器內部預先埋設熱電偶。其中，1號熱電偶埋設在外側芯子表面處，2號熱電偶埋設在仿真溫度最熱位置芯子表面處，具體埋設位置如圖5所示。在測量時，保證各測試環境參數不變，測試持續時間60 min，每隔5 min實時采集兩個熱電偶的溫度數據。為使得試驗條件盡可能接近仿真條件，試驗臺架測試運行工況也選擇額定工況條件：電機轉速7 000 r/min，輸出扭矩82 N·m，冷卻液入口溫度65 ℃，流量8 L/min。忽略環境因素的影響，此試驗測試工況基本與仿真工況一致。

圖5 熱電偶埋設位置

3.2 試驗測試與分析

圖6所示為本文所研究膜電容器在額定工況下的實測溫升結果。從圖6可以看出，在額定工況下，膜電容器的兩個熱電偶工作到35 min時溫度達到穩定狀態，不再持續上升。其中，1號熱電偶穩定狀態溫度為75 ℃，2號熱電偶穩定狀態溫度為78 ℃。由于冷卻液溫度為65 ℃，膜電容器起始溫度較高，因而測試開始時電容溫度增長較快，隨著測試時間的增長，溫度增長速度逐漸放緩，并最終趨于穩定。

圖6 額定工況下膜電容器溫升測試結果

將膜電容器仿真結果與臺架測試結果對比可以看出，膜電容器芯子仿真最高溫度為80.38 ℃，臺架實測芯子最高溫度為78 ℃，兩者相差2.38 K，偏差為2.96%。產生誤差的主要原因是膜電容器熱電偶只是埋設在芯子表面，并未埋設在芯子中心，實測所得的溫度僅為電容芯子表層溫度，實際電容芯子中心溫度應該高于78 ℃。膜電容器真實溫升結果可能更接近仿真結果，仿真偏差應低于2.96%。由此可以推斷，膜電容器熱仿真與臺架測試結果一致性較好，實際產品開發過程中可以采用有限元熱仿真的手段去研究碳化硅控制器用膜電容器的溫度分布情況，并為膜電容器高效散熱設計提供參考依據。