种车用电控单元散热器设计与测试.doc

一种车用电控单元散热器设计与测试 来源:大比特半导体器件网 摘要： 在汽车电控设备设计中，电子器件是设备中的关键器件，电子器件散热设计的好坏直接影响整个系统的可靠性.文章介绍了一种车用电控设备中50w散热器的设计，并从使用角度介绍了散热器的热导分析及散热器设计，对实验数据与仿真分析结果进行了对比分析，验证了设计的有效性.引言近年来，电子技术在汽车，特别是新能源汽车上得到了广泛应用和迅猛发展.同时，人们对汽车功能要求的不断增多，使得汽车电器设备的集成度也越来越高，汽车电器设备的功能集成化.大功率.小型化是汽车电子未来的发展方向.随着电子产品轻薄小型化.高性能化.IC器件高集成化的发展，电子设备产生的热量使内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备会继续升温，器件就会因过热而失效，电子设备的可靠性将下降，甚至造成芯片被瞬间击穿而损坏.因此对电子产品的散热能力提出了更改的要求，同时推动了电子产品散热设计技术的不断提高.1 热量产生及散热器热传导分析电子器件作为汽车电控设备系统的关键部件，既要使汽车电控设备的性能满足整车要求，也要保证汽车电控设备具有足够的安全性和可靠性.对于在现有技术下提供的汽车电控设备，为了达到更高的能量密度与功率密度，功率驱动单元模块大多通过多个功率单管间的串联或并联构成，这样功率模块的输出电压或输出电流将大大提高，以满足对汽车的驱动要求.在工作过程中，汽车电设备的功率驱动PCB总成是热量产生的最主要来源.热量传导过程分析：功率器件表面贴装在电路层，器件所产生的热量通过绝缘层传导到金属基层，然后由金属基板扩展到模块外部，与外界环境实现热交换，实现对器件的散热，如图l所示.金属基板采用何种金属，主要取决于热膨胀系数.热传导能力.强度.硬度.重量.表面状态和成本.金属基板基本都采用了铝板.铝材散热器是使用铝合金材料通过挤压成型，为增大单位体积的散热面积，成型后的散热器上呈现波纹齿，这种结构增强了散热器的散热能力.有效减小了功率模块和散热器之间的导热内阻，能够快速把功率模块上的热量导出，及时为功率模块冷却;为了补充机械加工中的缺陷，在散热器平面上涂覆一层100 u m的导热膏填充散热器和功率模块之间接合时的细小空间，这要求在加工过程中对功率器件的安装面进行表面机械加工处理，并保证具有一定的平面度.粗糙度.总之，散热器的结构设计.表面处理和导热辅料的涂覆，为功率模块创造了良好的外部散热环境，可以保证功率模块的可靠与稳定地运行，延长了功率模块的工作寿命.2 散热器设计散热片通过对流和辐射散热，其中对流散热占主导.参考鳍片形状(如图2和表1所示)设计资料，对主要尺寸进行如下设计：(1)根据控制器的安装位置，短风道风阻小.尽可能增加散热表面积，同时选择鳍片平行于散热底板短边。(2)鳍片之间的间隔.由于BSG控制器安装位置空气流速随不同工况变化较大，且有时会工作在空气流速接近为0的工况下，为保证在较低风速下散热底板能有效散热，要求鳍片间有足够的间距.但过大的鳍片间距会造成鳍片数目的减小而减小散热片面积，从而减小散热片的散热能力.在散热片壁面会因为表面的温度变化而产生自然对流，造成壁面的空气层流，空气层的厚度约为2mm,鳍片间隔应在4mm以上才能确保自然对流顺利.此时散热底板齿间距为8mm左右.(3)鳍片厚度.控制器工作在起动状态时，功率管的瞬态电流较大，因此控制器有较大的瞬态热冲击，要求散热底板鳍片有足够的厚度.当鳍片的形状固定，厚度及高度的平衡变得很重要，特别是鳍片过厚而高度不够时，会造成前端传热的困难，使得散热片即使体积增加也无法增加效率.散热片过薄而高度变短时，增加了表面积但会使散热片的体积减小而造成散热能力下降.根据参考值，鳍片厚度设计为4mm,拔模角为3(4)由于功率管在控制器散热底板上不是完全均布，为保证有效散热，在功率管较为集中的地方尽量多分布散热鳍片.(5)根据对流换热的基本公式知，尽可能增加散热底板的散热表面积，可以有效增加散热底板的散热能力，可以通过在鳍片表面增加波纹齿的情况下有效增加散热底板的散热表面积.但考虑到热传导和风阻的影响，波纹齿的深度不超过0.5mm为宜.综合考虑以上情况并结合PCB驱动板及控制器整体形状，散热底板设计如图3所示.3 散热器热仿真与试验分析3.1仿真结果对设计的散热器，按如下条件进行CAE建模仿真：按总热耗功率80W,将热耗功率平均分布在散热器上进行仿真，每次仿真热监控点：2个(PCB板.散热器中心位置各一个)，当散热器中心位置的温度变化在30min不超多l时，认为散热器达到热平衡，仿真结束.通过仿真结果如表2:3.2试验结果通过实验测得在80W,55W,30W的功率下，散热器中心平衡温度的温升分别约为73.54.27，PCB板中心温度的温升分别约为72.55.37如图4.4 结论通过比较仿真与测试实验的温升数据比较，它们的温升差异不大，且在无风的状态下温升不超过90.同时，考虑到控制器的安装位置.环境温度.工况因素等，可知散热器中心温度达到110左右属于很正常的情况，而此时功率管外壳温度起码有120，离它的工作极限温度160(此时漏极电流会显着减小)还有一定适当距离，因此散热器设计是比较合理的。