0  引言

隨著電子器件集成度的增加,控制器內(nèi)部電子器件布置的密度也在不斷提升,其散熱問(wèn)題也變得尤為關(guān)鍵?控制器散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理性將會(huì)對(duì)控制器的壽命和可靠性產(chǎn)生重要影響?電機(jī)控制器的發(fā)熱主要是由大功率的電力電子器件的損耗所引起的,這些功率元件由于開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗而產(chǎn)生熱量?根據(jù)設(shè)備的幾何形狀,熱通量可以達(dá)到200~300W/cm2?大功率器件自身對(duì)溫度的要求也比較嚴(yán)格,溫度的起伏會(huì)直接影響到大功率器件的整個(gè)工作過(guò)程,從而影響到電機(jī)控制器的工作性能?過(guò)高的溫度會(huì)縮短控制器的壽命,甚至直接損壞元件?

電機(jī)控制器作為純電動(dòng)汽車(chē)的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)控制部件,要求控制精度高?體積小?工作可靠性高?結(jié)構(gòu)緊湊,因此其內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)的合理性尤為重要?通常,電機(jī)控制器內(nèi)部IGBT產(chǎn)生的熱量會(huì)由專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的散熱結(jié)構(gòu)帶走,許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過(guò)一系列的研究?白保東等利用以環(huán)境溫度為初始條件的循環(huán)迭代算法計(jì)算出了IGBT的功耗,并以此為根據(jù)設(shè)計(jì)了冷卻裝置;江超等則通過(guò)CFD軟件對(duì)電機(jī)控制器中IGBT專(zhuān)用的風(fēng)冷控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì);申傳有等使用ICEPAK對(duì)散熱器在自然空氣冷卻條件下的散熱性能進(jìn)行了數(shù)值分析?

大多數(shù)學(xué)者均是針對(duì)電機(jī)控制器中IGBT的散熱進(jìn)行研究,但是除IGBT以外其他大功率芯片的發(fā)熱往往不被重視?這些芯片發(fā)熱量與IGBT發(fā)熱量處于同一數(shù)量級(jí),但是由于控制器的內(nèi)部空間?成本等因素而未進(jìn)行專(zhuān)用的散熱設(shè)計(jì),這給控制器的工作穩(wěn)定性帶來(lái)了較大的隱患?本文將通過(guò)對(duì)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理熱設(shè)計(jì),在不增加控制器體積和盡可能節(jié)約成本的前提下有效降低大功率芯片溫度,提高控制器可靠性,延長(zhǎng)控制器的壽命?

1  研究對(duì)象與理論模型

1.1研究對(duì)象

電機(jī)控制器簡(jiǎn)化幾何模型如圖1所示?其中,IGBT設(shè)置專(zhuān)門(mén)液冷散熱系統(tǒng),經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,為了模擬對(duì)其他大功率熱源芯片的影響,該設(shè)計(jì)中IGBT采用導(dǎo)熱性良好的均勻方形體熱源,材料為Al6063?控制板大功率芯片采用方形均勻體熱源,尺寸如表1所示?為了模擬封裝,在元件外部增加PPS材料外罩,元件的發(fā)熱功率和熱力學(xué)參數(shù)由試驗(yàn)得到;用各向異性材料模擬PCB板;箱體材料采用ADC12?各個(gè)材料物性參數(shù)詳如表2所示?各個(gè)熱源功率如表3所示?

1.2控制方程及邊界條件

假定內(nèi)部空氣為理想氣體,流動(dòng)為三維湍流流動(dòng),只考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流,忽略輻射傳熱,控制方程由熱傳導(dǎo)方程和包含了連續(xù)性方程?動(dòng)量方程和附加能量守恒方程的納維斯托克斯方程:

1.3數(shù)值仿真結(jié)果

應(yīng)用有限體積法對(duì)該封閉空間進(jìn)行熱-流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)仿真,仿真過(guò)程中湍流模型選用k-ε模型?采用四面體網(wǎng)格對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分,對(duì)控制器進(jìn)行縱向布置優(yōu)化?

控制器各部分溫度及內(nèi)部空氣流動(dòng)情況如圖2所示?

通過(guò)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)控制板2?3?4號(hào)熱源芯片的溫度過(guò)高,為了降低其溫度,通過(guò)改變控制器內(nèi)部縱向布置,控制板支撐的結(jié)構(gòu)以及設(shè)置冷端導(dǎo)熱幾種方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化?

2  優(yōu)化方案及討論

2.1改變控制器內(nèi)部縱向布置

該方案嘗試改變控制板支撐與控制板間的縱向距離從而改變控制板附近的空氣流場(chǎng),進(jìn)而影響控制板芯片溫度?控制板位置調(diào)整前后如圖3所示?

調(diào)整控制板位置后箱體內(nèi)流場(chǎng)流線圖和芯片周?chē)鷾囟确植既鐖D4所示?

通過(guò)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),3?4號(hào)芯片溫度略有下降,2號(hào)芯片溫度略有升高?通過(guò)觀察對(duì)比流場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn):

(1) 改變縱向布置后原有控制板附近的渦流消失?

(2) 由于2號(hào)芯片體積小,流場(chǎng)被其他芯片阻擋,空氣流動(dòng)條件惡化,故溫度略有升高?

(3)3號(hào)芯片體積較大,4號(hào)芯片未被阻擋,因此該2個(gè)芯片直接參與全局流動(dòng),流動(dòng)條件優(yōu)于原方案,故溫度略有下降?

(4)因?yàn)榭刂破鲀?nèi)空氣流動(dòng)速度較低,所以整體影響不大?

2.2改變控制板支撐結(jié)構(gòu)

探究該方案對(duì)芯片溫度影響過(guò)程中,為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間,進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型,并通過(guò)在控制板支撐處打孔來(lái)改變其結(jié)構(gòu),再觀察使用該方案前后溫度數(shù)據(jù)的對(duì)比得出改變控制板支撐結(jié)構(gòu)對(duì)整體流場(chǎng)及芯片溫度的影響?打孔位置如圖5所示?

打孔前后仿真結(jié)果如圖6所示?

通過(guò)對(duì)比芯片溫度可知,打孔后熱源芯片溫度均有一定程度的降低,觀察流場(chǎng)的流線圖可知,在支撐板上打孔可改變控制器內(nèi)的整體流場(chǎng),由于控制器內(nèi)空氣屬于自然對(duì)流,打孔后有一部分位于下層溫度較低的流動(dòng)空氣會(huì)直接對(duì)高溫區(qū)進(jìn)行冷卻,從而降低芯片溫度,從結(jié)果上看這種方案有一定的借鑒意義?

2.3設(shè)置冷端導(dǎo)熱

圖7設(shè)置冷端導(dǎo)熱后控制板熱源芯片的溫度因?yàn)榭刂破飨潴w與水道屬于一體結(jié)構(gòu),可在一定程度上避免在熱傳導(dǎo)過(guò)程中由于溫差減小造成的導(dǎo)熱速率減緩,所以可將箱體設(shè)置為冷端?該方案通過(guò)鋁結(jié)構(gòu)將熱源芯片和箱體連接,將箱體作為冷端進(jìn)行熱傳導(dǎo),仿真結(jié)果如圖7所示?

通過(guò)對(duì)比可知,設(shè)置冷端后熱源芯片溫度大幅下降,3個(gè)芯片的最高溫度均不超過(guò)360K?使用鋁結(jié)構(gòu)連接熱源芯片,芯片的熱量會(huì)直接傳導(dǎo)到箱體,再通過(guò)箱體散發(fā)出去,降低了散熱過(guò)程中的熱阻,提高了散熱效率?

3  結(jié)語(yǔ)

本文嘗試通過(guò)改變控制器內(nèi)部縱向布置?控制板支撐的結(jié)構(gòu)以及設(shè)置冷端導(dǎo)熱3種方法降低控制板熱源芯片溫度,并進(jìn)行數(shù)值仿真對(duì)各方案優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果顯示設(shè)置冷端可有效降低目標(biāo)芯片溫度,在控制板支撐上打孔可在一定程度上降低目標(biāo)芯片溫度,改變縱向布置對(duì)目標(biāo)芯片溫度基本沒(méi)有影響,同時(shí)也通過(guò)各個(gè)方案的流線圖對(duì)比得知控制器內(nèi)的空氣流速較低,通過(guò)改變內(nèi)部流場(chǎng)增強(qiáng)冷卻效果并不顯著?該研究可為電機(jī)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理熱設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)?

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