陳登峰，秦基偉，陳 雷

(1.上海汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)有限公司，上海 201806；2.上海電驅(qū)動(dòng)股份有限公司，上海 201806)

0 引 言

隨著電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，作為電動(dòng)汽車(chē)的三大核心技術(shù)之一，電機(jī)控制器的發(fā)展趨勢(shì)是高功率、高效率、高集成度、高功率密度[1]。SiC功率器件具有耐壓高、開(kāi)關(guān)速度快、開(kāi)關(guān)損耗小、效率高的優(yōu)點(diǎn)，能夠極大地提高電動(dòng)汽車(chē)用電機(jī)控制器的功率密度[2-7]。近年來(lái)，行業(yè)里面對(duì)于SiC功率器件在電機(jī)控制器中的應(yīng)用研究也越來(lái)越深入，國(guó)外零部件企業(yè)，如電裝、博世、德?tīng)柛：吞厮估约皣?guó)內(nèi)企業(yè)如比亞迪，均已推出量產(chǎn)化的碳化硅控制器，匯川、電驅(qū)動(dòng)、中車(chē)等企業(yè)也都在積極開(kāi)發(fā)碳化硅控制器產(chǎn)品，因此，碳化硅的應(yīng)用也必將成為下一代電機(jī)控制器的主流發(fā)展趨勢(shì)。碳化硅控制器高頻及高功率密度的特點(diǎn)，使其工作時(shí)的發(fā)熱量急劇增大，其中碳化硅模塊和薄膜電容是控制器中發(fā)熱量最大、對(duì)溫度最為敏感的器件，并且在整個(gè)控制器中起到關(guān)鍵作用，因此碳化硅模塊和薄膜電容高效冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是保證控制器正常工作的關(guān)鍵。傳統(tǒng)基于IGBT封裝模塊設(shè)計(jì)的控制器，通常在控制器箱體的底面設(shè)置水道實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件的單側(cè)冷卻[8-10]，冷卻效率不高。如果能夠設(shè)計(jì)出一種可以?xún)蓚?cè)同時(shí)對(duì)碳化硅模塊進(jìn)行冷卻的結(jié)構(gòu)，那么就可以大幅度提高碳化硅模塊的電流輸出能力，進(jìn)而提升其功率密度。

本文針對(duì)一款碳化硅控制器在高頻工況下的冷卻需求，設(shè)計(jì)了與之相匹配的冷卻結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了該冷卻結(jié)構(gòu)。為了研究冷卻系統(tǒng)的散熱效果，分別進(jìn)行了熱仿真和溫升實(shí)驗(yàn)，分析了碳化硅模塊在峰值工況及電容在額定工況下工作時(shí)的溫度分布規(guī)律。測(cè)試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的冷卻結(jié)構(gòu)具有散熱效果好的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足碳化硅控制器的散熱需求，對(duì)于同類(lèi)碳化硅模塊及電容的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 控制器總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的碳化硅控制器，主要組成如圖1所示。碳化硅控制器采用6個(gè)碳化硅模塊(型號(hào)：MD800HFX120N3S)層疊布置，通過(guò)冷卻結(jié)構(gòu)夾緊固定形成一個(gè)功率組件，控制板與驅(qū)動(dòng)板集成一體化，固定在箱體底部，預(yù)充組件、三相組件和薄膜電容均安裝固定在箱體內(nèi)部，并且功率組件的輸入端子與輸出端子分別與薄膜電容輸出端子、三相組件中的銅排采用激光焊接實(shí)現(xiàn)電氣連接，此種連接方式不僅牢固可靠，而且連接處導(dǎo)電性能好，省去了螺栓連接，也避免了螺栓松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)[11]。

圖1 碳化硅控制器結(jié)構(gòu)布置方案

2 控制器冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

碳化硅模塊是控制器內(nèi)部發(fā)熱量最大的器件，尤其在峰值工況下，模塊芯片的瞬時(shí)溫升非常高，如果超出芯片的結(jié)溫，會(huì)使其發(fā)生故障，甚至導(dǎo)致整個(gè)控制器的損毀。為了對(duì)碳化硅模塊進(jìn)行更好的散熱，本文設(shè)計(jì)了7通道并聯(lián)冷卻結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該冷卻結(jié)構(gòu)由多個(gè)水冷板彼此配合疊加而成，每個(gè)水冷板均是由上下兩個(gè)蓋板夾緊中間散熱翅片通過(guò)真空釬焊完成，相鄰兩個(gè)水冷板中間的空隙用來(lái)填裝碳化硅模塊，這樣碳化硅模塊的上底面和下底面同時(shí)被相鄰兩個(gè)水冷板夾緊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的兩個(gè)底面同時(shí)散熱。并且，每個(gè)水冷板都含有一個(gè)入水口、一個(gè)出水口、兩個(gè)連接孔和一個(gè)空腔，下一級(jí)水冷板的入水口和出水口與上一級(jí)水冷板的兩個(gè)連接孔相互貫通，連接部位通過(guò)O形圈實(shí)現(xiàn)徑向密封，從而形成了7通道并聯(lián)冷卻水道。碳化硅模塊的兩個(gè)散熱面在夾緊裝置的作用下緊貼水冷板，實(shí)現(xiàn)雙面同時(shí)冷卻，冷卻效率提升一倍。

圖2 功率組件

由于電容在高頻條件下工作發(fā)熱嚴(yán)重，在箱體上設(shè)計(jì)了冷卻水道，如圖3所示。從圖3中可以看出，冷卻水道位于電容底部。為保證冷卻水道的密封，采用攪拌摩擦焊工藝將蓋板焊接在水道頂面。由于冷卻水道入水口即控制器水道入水口，冷卻水道的出水口與冷卻結(jié)構(gòu)入水口相連通，從而使冷卻水道與冷卻結(jié)構(gòu)之間形成了串聯(lián)式水道結(jié)構(gòu)。

圖3 薄膜電容底部冷卻結(jié)構(gòu)

3 控制器熱仿真與分析

本文的碳化硅控制器裝配6個(gè)碳化硅模塊，薄膜電容固定在箱體底面，且薄膜電容的輸出端與模塊的輸入端采用激光焊接固定。工作時(shí)，冷卻液從控制器入水管進(jìn)入，首先通過(guò)電容的冷卻水道，然后經(jīng)過(guò)冷卻結(jié)構(gòu)入水口，并均分為7股并聯(lián)的水流流過(guò)水冷板，對(duì)碳化硅模塊進(jìn)行散熱，最后匯聚到冷卻結(jié)構(gòu)出水口位置，并從控制器出水管流出，完成對(duì)整個(gè)控制器的冷卻。冷卻液在控制器中的流道模型如圖4所示。

圖4 流域模型

控制器處于峰值工況下，碳化硅模塊會(huì)產(chǎn)生很高的瞬時(shí)溫升，并對(duì)其正常的工作產(chǎn)生影響。因此，對(duì)峰值工況下的碳化硅模塊進(jìn)行了熱仿真，碳化硅模塊溫度分布如圖5所示。從圖5可以看出，模塊在峰值工況下芯片的最高溫度為145.24 ℃，滿(mǎn)足汽車(chē)級(jí)模塊芯片結(jié)溫長(zhǎng)期使用不超過(guò)150 ℃的要求。

圖5 模塊溫度分布

薄膜電容的溫升考核一般基于額定工況進(jìn)行，對(duì)控制器額定工況下的薄膜電容進(jìn)行熱仿真，以研究模塊內(nèi)部芯片的溫度分布。電容溫度分布如圖6所示。從圖6可以得出，額定工況下電容的溫度最高為100.93 ℃，主要發(fā)生在電容中心部位的芯子處，滿(mǎn)足汽車(chē)級(jí)薄膜電容長(zhǎng)期使用溫度不超過(guò)105 ℃的要求。

圖6 電容溫度分布

4 控制器溫升測(cè)試

為了進(jìn)一步研究本文所設(shè)計(jì)的碳化硅模塊和薄膜電容的溫升，制作了碳化硅控制器樣機(jī)，并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)架對(duì)其進(jìn)行溫升測(cè)試。測(cè)試工況包括：峰值工況30 s及額定工況60 min，臺(tái)架測(cè)試環(huán)境如圖7所示。試驗(yàn)環(huán)境溫度30 ℃，冷卻液入口溫度65 ℃，流量為12 L/min。

圖7 控制器臺(tái)架測(cè)試

峰值工況下碳化硅模塊的溫度隨時(shí)間的變化如圖8所示。由圖8可以得出，碳化硅模塊的溫度在1.5 s后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后實(shí)測(cè)NTC熱敏電阻最高溫度約94.5 ℃，可以滿(mǎn)足長(zhǎng)期耐溫的使用要求。實(shí)測(cè)NTC熱敏電阻的最高溫度比仿真NTC熱敏電阻處的溫度高約4.2 ℃，誤差率較小，說(shuō)明仿真結(jié)果較準(zhǔn)確。

圖8 碳化硅溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為方便測(cè)量電容內(nèi)部溫度，在電容內(nèi)部埋設(shè)有熱電偶，熱電偶的埋設(shè)位置如圖9所示。隨后測(cè)試了額定工況下電容的溫升，溫升結(jié)果如圖10所示。由圖10可以得出，薄膜電容的溫度在30 min后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后實(shí)測(cè)熱電偶處的溫度為97 ℃，小于電容長(zhǎng)時(shí)間工作可承受的最高溫度(105 ℃)，可以滿(mǎn)足使用需求。實(shí)測(cè)熱電偶的最高溫度比仿真得到的最高溫度低約3.9 ℃，分析主要原因是芯子內(nèi)部的溫度要高于熱電偶測(cè)得的芯子表面溫度，說(shuō)明仿真結(jié)果較準(zhǔn)確。

圖9 熱電偶埋設(shè)位置

圖10 電容熱電偶處溫升測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種碳化硅電機(jī)控制器，重點(diǎn)介紹了控制器冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)本文的研究?jī)?nèi)容可以得出以下結(jié)論：

1)基于碳化硅模塊開(kāi)發(fā)了一款冷卻結(jié)構(gòu)，該冷卻結(jié)構(gòu)具有集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱效果好的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足碳化硅模塊的散熱需求。

2)碳化硅控制器的薄膜電容在高頻條件下工作時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行散熱，才能有效地控制其溫升。

3)熱仿真可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)功率器件的溫升，對(duì)于冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。