岳宗帥 林強強 李 宏 苗世亮 張麗玉

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

伺服控制驅(qū)動模塊是伺服系統(tǒng)功率管理的核心部件，將直流電源轉(zhuǎn)化為伺服電機所需的驅(qū)動電能，而在電源轉(zhuǎn)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(chǎn)生大量的熱量，在產(chǎn)品設(shè)計過程中必須采取合理的溫控措施，使其產(chǎn)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(fā)生熱擊穿等故障。針對項目輕質(zhì)、大功率輸出的任務(wù)需求，伺服系統(tǒng)進(jìn)行緊湊小型化設(shè)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(tǒng)方案，將功率器件工作過程中散發(fā)的熱量快速有效傳至整個均熱儲熱板，降低功率驅(qū)動元件大功率輸出時的瞬時工作溫度。并且為驗證該技術(shù)方案的正確性，開展了熱仿真分析。

1 伺服控制驅(qū)動模塊熱力學(xué)仿真分析

1.1 伺服控制驅(qū)動模塊中主功率電路組成

伺服控制驅(qū)動模塊中主功率電路由功率模塊構(gòu)成的三相逆變橋組成，根據(jù)指標(biāo)，母線電壓220～320 V，峰值功率為15 kVA，結(jié)合功率密度要求，選擇IGBT功率模塊為定制款I(lǐng)PM模塊。該款I(lǐng)PM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(qū)動電路、接口電路、保護(hù)電路等芯片封裝一體化，通過內(nèi)部引線鍵合互連形成部分或完整功能的功率模塊或系統(tǒng)功率集成。

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

（1）向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼驏艍海⑶以贗GBT導(dǎo)通后，柵極驅(qū)動電路提供給IGBT的驅(qū)動電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT總處于飽和狀態(tài)。IGBT導(dǎo)通后的管壓降與所加?xùn)旁措妷海╒GE）有關(guān)，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(dǎo)通損耗就越小，這有利于充分發(fā)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(fā)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(guān)斷期間，由于電路中其他部分的工作，會在柵極電路中產(chǎn)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(tài)，增加管子的功耗，重則將使調(diào)壓電路處于短路直通狀態(tài)。因此，最好給處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT加一反向柵壓，幅值一般為5～15 V，使IGBT在柵極出現(xiàn)開關(guān)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(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為+20 V，驅(qū)動信號超出此范圍就可能破壞柵極。本研究選用18 V穩(wěn)壓管來對柵壓進(jìn)行保護(hù)。

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(xù)流二極管芯片組成三相橋式逆變電路的方式來實現(xiàn)，續(xù)流二極管可在逆變電路中起到反向恢復(fù)作用，確保環(huán)流的順利穩(wěn)定。

其中IGBT功率橋部分功耗計算[2]如下：

（1）IGBT芯片的導(dǎo)通損耗

其中，經(jīng)查閱手冊，Erec約為2.75 mJ。

當(dāng)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(tǒng)總損耗75.57 W；當(dāng)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(tǒng)總損耗63.9 W；穩(wěn)態(tài)+頻率特性連續(xù)執(zhí)行共50+60=110（s）。

本項目中采用的IPM模塊采用GJB 2438B—2017工藝標(biāo)準(zhǔn)，金屬全密封，質(zhì)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(jié)于DBC板上。IPM模塊中IGBT功率橋部分為主要的發(fā)熱部分，其底部通常為散熱基板，材料為銅鍍鎳，內(nèi)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(chǎn)生的熱量通過模塊內(nèi)的各材料傳導(dǎo)到銅基板上，再通過導(dǎo)熱絕緣墊傳導(dǎo)到散熱器表面。

圖1 工藝機構(gòu)圖

按照圖1的結(jié)構(gòu)及IPM模塊內(nèi)部疊層中各材料的導(dǎo)熱參數(shù)，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(dá)到的最高溫度為73.0 ℃。

圖2 IPM熱仿真

2 散熱系統(tǒng)設(shè)計方案和熱仿真分析

2.1 散熱系統(tǒng)設(shè)計方案

基于產(chǎn)品應(yīng)用工況的熱學(xué)特性，散熱系統(tǒng)采用基于相變的均熱儲熱板方式?；谙嘧兊木鶡醿岚褰Y(jié)構(gòu)組成主要包含鋁合金結(jié)構(gòu)殼體形成均熱板腔體和內(nèi)部充注工質(zhì)儲熱板腔體，實現(xiàn)低接觸熱阻、高效熱擴展的使用需求。均熱板腔體內(nèi)部有特殊的毛細(xì)結(jié)構(gòu)[4]，在外部熱源作用下，通過內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)熱量的快速傳遞；儲熱板腔體內(nèi)部填充相變材料，通過固液相轉(zhuǎn)變實現(xiàn)熱量的儲存，使均熱板溫度降低，實現(xiàn)儲熱功能。

2.2 散熱系統(tǒng)的熱仿真分析

根據(jù)產(chǎn)品的散熱設(shè)計方案，建立熱仿真模型，按照項目要求在25 ℃環(huán)境溫度條件下，功率器件在熱源包絡(luò)內(nèi)向均熱儲熱板傳遞熱量，總熱耗為75 W，持續(xù)時間為110 s，仿真分析當(dāng)結(jié)構(gòu)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(jìn)行仿真對比分析。分析圖3和表1的仿真曲線和仿真數(shù)據(jù)，當(dāng)75 W外部熱源持續(xù)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(shù)據(jù)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(tǒng)的正確性、有效性，采用模擬熱源進(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，在25 ℃環(huán)境溫度條件下和110 s的加熱時間內(nèi)，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(tǒng)相比鋁合金實體板的散熱效果顯著提高，產(chǎn)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(jié)論

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