为发动机驱动电路冷却选择恰当的散热片汽车

2019年05月15日 来源:

为发动机驱动电路冷却选择恰当的散热片 - 汽车电子 - 电子工程

混合动力汽车(HEV)或充电电动汽车(PEV)通常使用电机驱动功率模块,例如IGBT模块,这些模块会产生非常大的热量,通常大约为1,000W到2,000W。冷却这些汽车电子功率模块的唯一有效方法是水冷,而不是风冷,因为水的热传导率是空气的20倍。水还具有很高的热量(吸收能量的能力),是空气的4倍。

在大多数的汽车应用中,功率模块都具有这样的热挑战。事实上,有专门的独立冷却循环来对其进行冷却。散热片用来将功率模块的热量传导到冷却液,成为冷却循环的重要部分。那么,如何选择最佳的液体冷却散热片呢?要做出这个选择需要在多种考虑因素之间进行权衡,例如热性能、重量、成本、可靠性和可制造性。让我们看看IGBT芯片产生的热量是如何通过冷却液传导。

1 改善导热性能

首先,热必须通过直接敷铜(DBC)底层转移出来,然后经过模块基板(base plate),再通过热油脂,再进入到栓接的散热片(见图1)。这部分的热量转移完全是通过热传导来实现的。

为改善传导热转移,你要么选择具有最高的导热系数(k)的材料,要么降低层厚度,或者减少热源与冷却液之间的层数。例如,氮化铝陶瓷(k=160W/mK)用作DBC基底材料,相比于氧化铝来说(k = 25到 35 W/mK)是一种不错的选择。相对于铝(k = 220 W/mK)或者铝硅炭化物(AlSiC) (k = 170 - 180 W/mK)来说,铜(k = 390 W/mK)材料是用于模块基底更好的选择。简言之,如果不选择非常昂贵的材料,你所选则的材料的导热性能不会超过铜。

可以简化散热片材料的选择,实际上就是在铝、AlSiC和铜之间选择。铝很轻而且便宜,但是导热性能一般,而且很重要的是,没有合适的制造方法来获得高的表面积。铝铸模不能获得高的密度,而且容易产生孔隙,会导致冷却液的泄漏。铝还具有比较高的热膨涨系数(CTE ~ 23 ppm/C),因此不适合用作功率模块基板材料。

AlSiC很轻,但是很昂贵,被加工用来降低CTE以接近IC材料,通常做成9 - 12 ppm/C之间。而且,AlSiC的铸造工艺难以实现更大的冷却表面。而且铸模磨损很快,导致更换铸模的成本开销。最后,材料的导热率相对比较差,大约为k=170w/mK。因为这些原因,AlSiC从来没有用作栓接冷却片材料,在实际中,只有在需要非常高的可靠性的时候,才选择AlSiC作为基板材料。

铜具有很高的导热率、可接受的成本,以及最重要的是,可以利用先进的成模技术形成带有非常密集针翅(pin fin)形状的散热片(例如Amulaire Nanopins)。铜铸模能达到的针翅密度可以实现超过铝或AlSiC散热片3倍到5倍的散热表面积。尽管铜的CTE比较高(17 ppm/C),但是仍然成功地应用在高可靠性汽车应用中,作为功率模块的基板/散热片,其制造工艺是基于铜基板设计的。

图1:冷却系统的组成示意图。

2 设计实践

优化功率模块冷却的一个选择是用散热片替代功率模块基板。这有效地去掉了组装中的两个层(原来的基板和导热油脂),大大地改善了从芯片到散热片墙的热传导。

一旦热量转移到散热片墙,冷却液对散热片的冷却就取决于对流热传导。基本的对流热传导等式为:

q = h A (Tw - Tf)

其中q为传导的热量,单位为瓦,h是对流热传导系数,A为散热片与冷却液接触的表面积,Tw是散热片墙的温度,Tf为流动液体的温度。

如前面所述,Tw的大小决定于从IGBT芯片经过功率模块器件传导到散热片墙的热量,Tf由冷却系统的其它参数决定。

更有效的导热路径可以获得更高的Tw,以及冷却液更佳的对流冷却。对于液体冷却来说,无论采用什么散热片,h值都将比较小。那么很明显,在任何指定的Tw下,表面积A将主要确定液体冷却散热片的效果。

3 本文小结

为了给HEV或PEV电机驱动功率模块提供最佳的冷却解决方案,首先需要确保模块结构以及材料、散热片墙具有最高的导热率。采用散热片作为功率模块基板的设计,其表现的性能将远远高于栓接的散热片。

其次,使散热片与冷却液的接触面积最大,同时让液体流的压力降低在一个合理的范围。因此,选择一个具有大表面积以及“平整”的散热片。粗糙的或有角的散热片会加大压力降,迫使采用高功率和高成本的泵。通常,最佳的结构是圆形或卵形针翅阵列。

HEV或PEV功率模块冷却的最佳选择是那些用铜制成的,具有大的表面积和压力降低小的散热片来替代模块的基板。这种结构可以实现性能、重量、尺寸、可靠性和成本的最佳结合。

在作比较时,记住要考虑散热片的所有参数。高性能铜散热片作为功率模块基板,由于其卓越的性能,大多数情况下可以直接包含在汽车引擎冷却环路中。对于发动机驱动电路来说,这种结构节省了专用冷却环路(泵、管道和水箱等)的成本,并减小了尺寸和重量。

更衣柜厂家
崇明公司注册
苹果游戏开发
相关文章
  • 舜天主场迎战申花输不起南京高洪波高洪波盼球迷加油助威
    舜天主场迎战申花输不起南京高洪波高洪波盼球迷加油助威

    今晚7点45分,舜天将在南京奥体中心迎战死敌上海申花。上一轮中超联赛客场输给绿城之后,舜天士气极其低落,各方对球队现状也非常不满,更严重的是,舜天现在仅领先倒数第三名辽宁宏运4分,一旦再输球,球队将提前拉响保级警报。面对这一场输不起的比赛,...

  • 湖州要使博物馆成为湖州文化建设一个亮点
    湖州要使博物馆成为湖州文化建设一个亮点

    昨天下午,湖州市委副书记、市长黄萌,副书记蔡圣初,副市长倪玲妹来到市文化体育局调研文体工作。黄萌在调研中指出,要围绕建设文化大市的目标,加快新博物馆建设。蔡圣初、倪玲妹对湖州博物馆陈列布展总体方案也提出了要求。市计委、财政局、国土局、...

  • 市七届人大常委会第二次会议召开
    市七届人大常委会第二次会议召开

    市委副书记、市长张桂华,市委常委、常务副市长罗茂文,市人民法院院长,市人民检察院检察长,市政府办、市财政局负责人,市人大常委会一办七委主任、副主任,市人大常委会机关工会主席,部分市人大代表和市民列席会议。会议听取并审议了市政府关于议案...

  • 资助老幼打流感针计划提早展开
    资助老幼打流感针计划提早展开

    卫生署卫生防护中心昨公布今年疫苗接种计划详情。港府将于11月1日开始,免费为合资格人士接种疫苗,除65岁以上长期病患者及公立医院医护人员等原有组别外,卫生署接纳专家委员会的建议,把50至64岁及痴肥人士列入流感高危组别,这两类人士若正领取综援,均...

  • RQFII试点扩大至马来西亚中马愿一起稳定金融市场
    RQFII试点扩大至马来西亚中马愿一起稳定金融市场

    【RQFII试点扩大至马来西亚 中马愿一起稳定金融市场】在中国与东盟国家的经贸发展中,中马经贸合作一直是一大亮点。进一步促进两国间经贸合作也是李克强此次访马重点之一。在22日出席第十届东亚峰会后,中国国务院总理李克强当地时间23日上午,在吉隆坡出席...

  • 北京审计报告称超50亿政府重点工程未公开招标
    北京审计报告称超50亿政府重点工程未公开招标

    今天上午,市审计局局长李颖津向市十三届人大常委会第十九次会议作《关于北京市2009年市级预算执行和其他财政收支的审计工作报告》。其中提及18户房地产企业漏税1160万元。此次审计共涉及市市政市容委、市交通委、市民政局、市水务局等11个市级部门。对今年...