王淑旺，胡俊明，趙衛(wèi)健，孫純哲

(1.合肥工業(yè)大學，合肥230009;2.安徽巨一自動化裝備有限公司，合肥230009)

0 引 言

隨著能源危機的加劇和環(huán)境壓力的增加，高效節(jié)能的電動汽車已成為各國研究的熱點［1］。在純電動汽車電驅動系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn)，電機控制器的關鍵模塊IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)由于內(nèi)部元器件集成度高，從而在工作時耗散功率大、發(fā)熱高，在極端情況下容易燒毀［2］，嚴重影響到了控制器的可靠性和穩(wěn)定性，同時IGBT 模塊成本居高不下，成為目前產(chǎn)品的一個瓶頸，因此改善控制器的散熱性能成為設計人員必須重點關注和亟待解決的問題。

由于傳統(tǒng)理論分析方法費時費力，基于CFD(Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學)軟件，利用計算機強大的計算能力對特定空間內(nèi)的溫度場與速度場進行數(shù)值仿真計算成為當前研究傳熱問題的趨勢［3］。而在對控制器進行熱仿真與優(yōu)化之前，需建立準確的熱仿真模型，其中接觸面導熱硅脂涂層熱特性不確定，需對其熱阻進行估算。接觸熱阻與接觸面的表面粗糙度、兩表面間的壓力、接觸面的硬度等因素有關。文獻［4］給出了平板接觸面的接觸熱阻計算公式，文獻［5］給出了在無壓力情況下兩接觸表面間接觸熱阻的近似計算方法，吳登倍等人對接觸熱阻進行了實驗與數(shù)值模擬［6］。本文通過FLUENT 軟件采用黑匣子逼近試算的熱仿真分析方法來確定接觸面的接觸熱阻，最終得到了合理值。

1 研究對象及研究方法

本文基于某型電動汽車電驅動系統(tǒng)，控制器散熱器采用壓合式散熱器。在額定工況(3 000 r/min、60 N·m)下，控制器的主要熱源為IGBT 模塊，其耗散功率約為650 W。為此使用風扇強迫風冷的散熱方式。

考慮到IGBT 本身結構的復雜性，及接觸面導熱硅脂涂層熱特性的不確定性，故本電機控制器IGBT熱仿真模型采用“黑匣子”模型，具體如圖1所示。即在IGBT 與散熱器之間布置一平板，并假設其厚度為5 mm，導熱系數(shù)待求。

圖1 “黑匣子”熱仿真模型

在熱仿真過程中，通過對黑匣子的導熱系數(shù)進行一定范圍內(nèi)的逼近試算法模擬分析，并與實驗數(shù)據(jù)進行對比，尋找合適的黑匣子導熱系數(shù)。

2 仿真結果與實驗驗證依據(jù)的確定

電機控制器溫度的實測結果包括埋藏在IGBT內(nèi)部熱源附近的NTC 測點溫度、散熱器底板局部測點溫度和散熱器外側布置的局部測點溫度。

根據(jù)IGBT 的結溫Tj計算方法［7］，亦NTC 測量的溫度Tt大約比散熱器溫度高10℃，即:

式中:Tt為NTC 測量的溫度，℃;Tj為IGBT 的結溫，℃;Pmax為IGBT 的散熱功率，W;Rthjc為IGBT 模塊的結殼熱阻，℃/W。

按照額定工況下壓合散熱器散熱實驗結果，Tt=45℃，Pmax=650 W，根據(jù)IGBT 特性查詢，Rthjc=0.12 ℃/W，故:Tj=113℃。

考慮到電機控制器的IGBT 及散熱器布置的非對稱性，對比實驗測得的溫度值及通過計算獲得的結溫Tj，在熱仿真逼近試算過程中，采取結溫為主要對比依據(jù)數(shù)據(jù)，散熱器其余溫度為輔助對比數(shù)據(jù)。

圖2 為壓合散熱器實驗測量的IGBT 溫度Tigbt和散熱器底板測點溫度Tsink，以及計算獲得的結點溫度Tj。本次逼近試算過程中以實驗穩(wěn)定后的結點溫度Tj(113℃)為主要判斷依據(jù)，以散熱器底板測點溫度Tsink(31℃)為輔助判斷依據(jù)進行判斷。

圖2 壓合散熱器實驗測量溫度

3 熱仿真分析過程

3.1 仿真模型的建立

采用在FLUENT 中建模的方法，散熱器的材料為鋁合金6063－T5。具體尺寸:外部尺寸(L ×W×H)240 mm×230 mm×100 mm，基座板厚度21 mm，散熱片厚度1 mm、片數(shù)36 片、間距5. 5 mm，頂部板厚度10 mm。風扇的特性參數(shù)為風量138 m3/h。所建立的模型如圖3 所示。

圖3 電機控制器熱設計物理模型

3.2 黑匣子導熱系數(shù)的逼近試算過程

逼近試算的過程是對黑匣子導熱系數(shù)不斷進行修正的過程。其流程圖如圖4 所示。

圖4 流程圖

當黑匣子導熱系數(shù)取100 W/(m·K)時，熱仿真得到的熱源溫度最高值為65.9℃，如圖5(a)所示，明顯小于通過計算得到的IGBT 結溫。為了升高熱仿真得到的熱源溫度最高值，需降低黑匣子導熱系數(shù)。

當黑匣子導熱系數(shù)取50 W/(m·K)時，熱仿真得到的熱源溫度最高值為82.7℃，如圖5(b)所示，也小于通過計算得到的IGBT 結溫。為了升高熱仿真得到的熱源溫度最高值，仍需降低黑匣子導熱系數(shù)。

當黑匣子導熱系數(shù)取30 W/(m·K)時，熱仿真得到的熱源溫度最高值為104.5℃，如圖5(c)所示，與計算得到的IGBT 結溫相差8.5℃。

最終，取黑匣子導熱系數(shù)為26 W/(m·K)時，熱仿真得到的熱源溫度最高值為113.3℃，如圖5(d)所示，與實驗計算得到的IGBT 結溫相差0.3℃。

圖5 不同黑匣子導熱系數(shù)時的結點溫度

至此，可以認為獲得了合適的黑匣子模型的黑匣子導熱系數(shù)，取值26 W/(m·K)。

另外，當黑匣子導熱系數(shù)取26 W/(m·K)時，散熱器基座板溫度分布如圖6(a)所示，與實驗對應的測點溫度為33.1℃，該值與實際散熱器底板測點溫度31℃相差2.1℃，誤差為6.7%?？紤]到其是次要判斷依據(jù)，可以認為滿足要求。

同時，散熱器側板溫度分布如圖6(b)所示，其底板側壁溫度28.3℃，散熱片測點溫度23.1℃，該兩個測點實驗測量結果依次為31℃、22℃，基本吻合。

圖6 黑匣子導熱系數(shù)取26 W/(m·K)時散熱器溫度分布

綜上，通過一系列黑匣子逼近試算，可確定黑匣子的導熱系數(shù)取26 W/(m·K)較為合適。

4 結 語

本文針對電機控制器的大功率電子模塊IGBT模塊，研究了其與散熱器之間的接觸熱阻問題，通過建立黑匣子模型，實驗與仿真值對比不斷逼近試算的方法，最終得出了黑匣子合適的導熱系數(shù)，并仿真驗證了數(shù)值的合理性。由此明確了電機控制器的熱仿真模型的關鍵因素，方便了進一步的散熱分析和結構優(yōu)化。

［1］ 陳清泉，孫逢春，祝嘉光. 現(xiàn)代電動汽車技術［M］. 北京:北京理工大學出版社，2002.

［2］ 劉煥玲，邵曉東，賈建援，等.計算機芯片的散熱研究［J］.電子機械工程，2005，21(3):15－17.

［3］ 李貴.滑移裝載機動力艙熱仿真與熱分析［D］. 南京:東南大學，2010.

［4］ 沈軍，馬駿，劉偉強.一種接觸熱阻的數(shù)值計算方法［J］. 上海航天，2002(4):33－36.

［5］ AL－ASTRABADI F R，O＇CALLAGHAH P W，PROBERT S D.Effects of surface finish on thermal contact resistance between different Materials［C］//AIAA 14th Thermophysics Conference，Orlando，US.1979:1065.

［6］ 吳登倍.接觸熱阻實驗與數(shù)值模擬［D］.北京:北京交通大學，2011.

［7］ Infineon Technologies. Calculation of Major IGBT Operating Parameters［R］.Infineon Application Notes，1999.