伺服控制驅動模塊熱學仿真分析和散熱系統設計

岳宗帥 林強強 李 宏 苗世亮 張麗玉

（北京精密機電控制設備研究所航天伺服驅動與傳動技術實驗室,北京 100076）

伺服控制驅動模塊是伺服系統功率管理的核心部件，將直流電源轉化為伺服電機所需的驅動電能，而在電源轉換過程中，功率變換期間絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）及二極管會因損害而產生大量的熱量，在產品設計過程中必須采取合理的溫控措施，使其產生的熱量快速傳遞到外部，避免功率變換期間其本身由于溫度上升而發生熱擊穿等故障。針對項目輕質、大功率輸出的任務需求，伺服系統進行緊湊小型化設計，其功率器件的散熱條件更加惡劣，因此，本項目采用基于相變的均熱儲熱板的散熱系統方案，將功率器件工作過程中散發的熱量快速有效傳至整個均熱儲熱板，降低功率驅動元件大功率輸出時的瞬時工作溫度。并且為驗證該技術方案的正確性，開展了熱仿真分析。

1 伺服控制驅動模塊熱力學仿真分析

1.1 伺服控制驅動模塊中主功率電路組成

伺服控制驅動模塊中主功率電路由功率模塊構成的三相逆變橋組成，根據指標，母線電壓220～320 V，峰值功率為15 kVA，結合功率密度要求，選擇IGBT功率模塊為定制款IPM模塊。該款IPM模塊的耐壓值為1200 V，可通過額定電流為200 A。IPM模塊電路由IGBT功率橋部分和控制電路組成。它將功率器件、控制電路、驅動電路、接口電路、保護電路等芯片封裝一體化，通過內部引線鍵合互連形成部分或完整功能的功率模塊或系統功率集成。

IGBT的開關特性和安全工作區隨著柵極驅動電路的變化而變化，使得IGBT能可靠工作[1]。IGBT對其驅動電路要滿足以下要求：

（1）向IGBT提供適當的正向柵壓，并且在IGBT導通后，柵極驅動電路提供給IGBT的驅動電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT總處于飽和狀態。IGBT導通后的管壓降與所加柵源電壓（VGE）有關，在漏源電流一定的情況下，VGE越高，飽和壓降（VCE）就越低，器件的導通損耗就越小，這有利于充分發揮管子的工作能力。但是，VGE并非越高越好，一般不能超過20 V，一旦發生過流或短路，柵源電壓越高，電流幅值越高，IGBT損壞的可能性越大。綜合考慮選取柵極控制電壓為+15 V。

（2）能向IGBT提供足夠的反向柵壓。在IGBT關斷期間，由于電路中其他部分的工作，會在柵極電路中產生一些高頻振蕩信號，這些信號輕則會使本該截止的IGBT處于微通狀態，增加管子的功耗，重則將使調壓電路處于短路直通狀態。因此，最好給處于截止狀態的IGBT加一反向柵壓，幅值一般為5～15 V，使IGBT在柵極出現開關噪聲時仍能可靠截止。本研究選用的反向柵極電壓是-8 V。

（3）具有柵極電壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為+20 V，驅動信號超出此范圍就可能破壞柵極。本研究選用18 V穩壓管來對柵壓進行保護。

1.2 IPM電路的功率部分的熱計算及熱仿真分析

IPM模塊電路由IGBT功率橋部分和控制電路組成。IGBT功率橋部分由6只IGBT芯片和6只續流二極管芯片組成三相橋式逆變電路的方式來實現，續流二極管可在逆變電路中起到反向恢復作用，確保環流的順利穩定。

其中IGBT功率橋部分功耗計算[2]如下：

（1）IGBT芯片的導通損耗

其中，經查閱手冊，Erec約為2.75 mJ。

當相電流為39.5 Arms時，IGBT損耗（36.9+2.86）W，二極管損耗（34.37+1.44）W，系統總損耗75.57 W；當相電流為28 Arms時，IGBT損耗（31.3+2.02）W，二極管損耗（29.57+1.02）W，系統總損耗63.9 W；穩態+頻率特性連續執行共50+60=110（s）。

本項目中采用的IPM模塊采用GJB 2438B—2017工藝標準，金屬全密封，質量等級為H級。IPM模塊殼體采用鉬銅材料，DBC采用氮化鋁覆銅板，芯片直接燒結于DBC板上。IPM模塊中IGBT功率橋部分為主要的發熱部分，其底部通常為散熱基板，材料為銅鍍鎳，內層的DBC采用陶瓷材料（AlN），上下表面覆銅并通過錫片焊接到基板上，頂層芯片焊接在DCB上表面，如圖1所示。芯片產生的熱量通過模塊內的各材料傳導到銅基板上，再通過導熱絕緣墊傳導到散熱器表面。

圖1 工藝機構圖

按照圖1的結構及IPM模塊內部疊層中各材料的導熱參數，在仿真軟件中建立幾何模型[3]，并給每一個幾何模型附上材料屬性。由上述計算所得的熱工況，以器件使用總時間為110 s，前50 s為正弦波，按照100W×|sin（0.04××t）|，后60 s間歇工作，每6 s為一個周期，每個周期前5 s熱耗100 W，后1 s熱耗為0 W；仿真溫升曲線如圖2（a）所示，如圖2（b）所示110 s后IPM模塊所達到的最高溫度為73.0 ℃。

圖2 IPM熱仿真

2 散熱系統設計方案和熱仿真分析

2.1 散熱系統設計方案

基于產品應用工況的熱學特性，散熱系統采用基于相變的均熱儲熱板方式。基于相變的均熱儲熱板結構組成主要包含鋁合金結構殼體形成均熱板腔體和內部充注工質儲熱板腔體，實現低接觸熱阻、高效熱擴展的使用需求。均熱板腔體內部有特殊的毛細結構[4]，在外部熱源作用下，通過內部毛細結構實現熱量的快速傳遞；儲熱板腔體內部填充相變材料，通過固液相轉變實現熱量的儲存，使均熱板溫度降低，實現儲熱功能。

2.2 散熱系統的熱仿真分析

根據產品的散熱設計方案，建立熱仿真模型，按照項目要求在25 ℃環境溫度條件下，功率器件在熱源包絡內向均熱儲熱板傳遞熱量，總熱耗為75 W，持續時間為110 s，仿真分析當結構外形及接口尺寸為108 mm×80 mm×10 mm時，可滿足均熱儲熱板最高溫度低于65 ℃。

對均熱儲熱板和鋁合金實體板進行仿真對比分析。分析圖3和表1的仿真曲線和仿真數據，當75 W外部熱源持續加熱110 s時，采用均熱儲熱板相對于鋁合金板溫升下降了約23.2%，降低了11.54 ℃，表明基于相變材料的均熱儲熱板可以有效降低功率器件的溫度。

表1 仿真數據分析表

圖3 75 W均熱儲熱板與鋁合金板云圖

3 試驗驗證情況

為驗證基于相變的均熱儲熱板的散熱系統的正確性、有效性，采用模擬熱源進行了均熱儲熱板與鋁合金實體板的散熱性能驗證試驗，溫度測點如圖4所示，熱源輸入恒定熱功率為75 W，試驗溫升曲線如圖5、圖6所示。對試驗數據進行統計分析，在25 ℃環境溫度條件下和110 s的加熱時間內，采用均熱儲熱板可以將溫度控制在65 ℃以下，均熱儲熱板兩個測點的最終溫度分別到53.62 ℃和58.35 ℃，鋁合金實體板兩個測點的最終溫度分別到74.39 ℃和76.48 ℃。與鋁合金實體板對比分析，75 W熱源作用下，測點溫度分別降低了20.77 ℃和18.13 ℃，說明基于相變的均熱儲熱板的散熱系統相比鋁合金實體板的散熱效果顯著提高，產品熱控性能良好。

圖4 模擬熱源試驗測點分布圖

圖5 模擬熱源75 W試驗測點1溫度曲線

圖6 模擬熱源75 W試驗測點2溫度曲線

4 結論

本文通過對伺服控制驅動模塊的熱學仿真，并根據實際的熱工況設計了基于相變原理的均熱儲熱散熱系統設計方案，通過仿真分析和模擬熱源試驗對比，得出散熱系統設計方案可有效降低功率驅動部件的瞬時溫度，結論能夠有效提高工作的可靠性，滿足系統工作需求。