基于SolidWorks的电机控制器水冷散热器热分析

李军利

（宝鸡华山工程车辆有限责任公司 722405)

0 引言

随着经济的高速发展，人们对能源的需求越来越高，传统的化石燃料已经逐渐不能满足人们的生活需求。近年来, 我国政府出台了一系列的优惠政策，推动了我国新能源汽车产业的蓬勃发展。IGBT控制单元是电动汽车电机控制器的核心部件，它在工作时不断地开启闭合，释放出大量的热量，如果在IGBT控制单元下方没有合适的散热器，电机控制器中的温度将会急剧升高。作为电子元件，IGBT控制单元整体性能和可靠性与温度密切相关。一般来说，IGBT控制单元中PN节的最高耐温为150℃，为确定拥有较高的寿命，通常会将IGBT控制单元工作的最高温度下调一点，设置为125℃[1]。

因此，必须对IGBT控制单元有严格的温度控制。本文主要针对电动客车100 kW电机控制器中的IGBT控制单元进行散热器设计，根据电机控制器中散热器的安装形式和热量传递途径，设计散热器的结构、散热介质以及水道类型。再利用SolidWorks三维作图软件对散热器进行建模，并简化散热器与电机控制器壳体所构成的封闭区域，使用SolidWorks软件中Flow Simulation模块流体分析工具进行热仿真，验证散热性能。

1 IGBT控制单元的热损耗估算

IGBT控制单元由IGBT芯片与续流二极管两部分构成，IGBT控制单元的热损耗也主要由两者产生[2]，所以IGBT控制单元运行时的损耗由IGBT芯片和续流二极管的导通损耗和开关损耗四部分组成。可根据IGBT生产商所提供的出厂参数进行近似计算，估算出损耗。本文所研究的IGBT型号为英飞凌FF900R12IE4。

1.1 IGBT芯片导通损耗和开关损耗

（1）导通损耗。IGBT控制单元并不是一个理想开关，导通状态下，饱和压降会在电流通过时产生损耗，这类损耗叫做导通损耗。IGBT导通损耗的计算公式如下。

iC(t)为正弦的输出电流，D为IGBT占空比因子，ICP为集电极导通电流，Psat_I为IGBT的导通损耗。FF900R12IE4型号的IGBT导通电流与压降的关系如图1所示。

图1 IGBT导通电流与压降关系曲线

根据设计要求，电机控制器所要求的峰值输出电流为478 A，考虑到电流要增加一点裕度，故设定ICP=500 A。由上图可得，VCE(sat)=1.5 V。由于占空比不断在变化，取经验值D=0.8，得到Psat_I=600 W。

（2）开关损耗。开关损耗是指由IGBT在控制极收到控制信号时，对电路进行开关操作所产生的能量损耗。由于每一次开关操作都会产生损耗，所以随着IGBT开关的频率提高，开关损耗会越来越大。得到开关损耗最精确的方法是测量在开关过程中IC和VCE的波形，对其进行积分。开关损耗由2个部分组成，分别是电路接通时的损耗以及电路断开时的损耗，其计算公式如下。

E(on)为IGBT开通时损失的能量，E(off)为IGBT断开时损失的能量，fPWM为PWM开关频率，为IGBT的开关损耗。FF900R12IE4型号的IGBT开通和关断损耗与电流关系如图2所示。

图2 IGBT开通和关断损耗与电流关系曲线

Icp=500 A，从上图可得：E(on)=42 mJ，E(off)=75 mJ，fPWM=15 kHz，

1.2 续流二极管导通损耗和开关损耗

（1）导通损耗。二极管的导通损耗与IGBT类似，计算公式如下。

VF(sat)为续流二极管压降，DF为二极管占空比因子，Psat_F为二极管导通损耗。FF900R12IE4型号的续流二极管压降与电流关系如图3所示。

图3 续流二极管压降与电流关系曲线

根据Icp=500 A，可由上图得到VF(sat)=1.4 V，DF=1-D=0.2，故Psat_F=140 W。

（2）开关损耗。二极管的开关损耗中，关断损耗要比导通损耗大得多，故导通损耗可忽略不计，视关断损耗为其主要损耗。

Erec为二极管反向恢复损耗，为二极管开关损耗。FF900R12IE4型号的续流二极管反向恢复损耗与电流关系如图4所示。

图4 续流二极管反向恢复损耗与电流关系

由图可得Erec=58 mJ。故

1.3 IGBT控制单元总损耗

IGBT控制单元的总损耗为IGBT芯片和续流二极管的导通损耗与开关损耗之和，故总损耗Pt可由下公式（6）求得。

估算出的总损耗Pt=3 365 W。

2 散热器的设计

2.1 散热器材料的选择

散热器材料的选择要从多方面来考虑，不仅要有良好的机械强度和加工工艺性，还应具有抗腐蚀性与优良的热传导性，更要考虑经济成本[3]。AA6061与AA6063的导热性能和切削特性都比较好，适用于挤压成形方法，是散热器应用最多的铝合金材料之一。本文选用AA6063型铝合金作为散热器的材料。

2.2 散热器结构设计

本散热器采用的是平直肋片板式散热器，由基板和固定在基板上的平直肋片组成（图5）。基板厚度是影响整个散热器散热效率的重要因素之一，它与IGBT控制单元通过导热胶相接触，是热量传递的第一步。基板吸收IGBT控制单元产生的热量，并将其均匀的传递给各个肋片上，再由肋片传递给冷却液。

图5 平直肋片式意图

散热功率与基板厚度之间的计算公式如下[4]。

其中t为基板的厚度，单位为mm；P总为IGBT控制单元的热损耗，单位为kW。计算可得基板的厚度为18.6 mm，这里计算的基板厚度还包括了IGBT控制单元中PCB板与其焊层，以及铝基板的厚度。除去这些厚度后综合考虑，选择基板厚度t=10 mm。

除了基板厚度，散热器肋片还有几个重要参数需要考虑，比如肋片间距、肋片角度、肋片高度和肋片厚度。对于平直式散热器来说，肋片的角度一般为3°，肋片间距在4 mm左右（图6）。通过参考其他散热器的设计方案和表2的参考值[5]，确定肋片高度为15 mm，齿厚为2.2 mm，肋片间距为3.7 mm。

图6 肋片的尺寸

表2 平直肋片尺寸参考值

本文所研究的100 kW电机控制器需要3个IGBT控制单元，这3个控制单元均为英飞凌FF900R12IE4型号。根据IGBT控制单元及电机控制器壳体的尺寸限制，确定散热器的大致尺寸以及IGBT控制单元在散热器基板上的布置形式。该型号尺寸为172 mmⅹ89 mmⅹ22 mm。为了使IGBT控制单元产生的热量最大限度地被散热器带走，故将肋片覆盖在IGBT控制单元的正下方，所以肋片也分成3部分，长宽尺寸和IGBT控制单元尺寸相同，为172 mmⅹ89 mm。散热器整体由散热器基板，散热器肋片与电机控制器壳体结合组成。基板和壳体相互结合形成1个密封的腔室，腔室内是肋片所形成的流道。冷却液从壳体上的2个开口流入与流出，在此过程中吸收肋片上的热量并带到外部环境（图7）。散热器流动示意图如图8所示。

图7 散热器模型

图8 散热器流动示意图

3 散热器热仿真分析

本文选用SolidWorks中的Flow Simulation模块流体分析工具进行热仿真。对散热器的冷却效果进行分析，以确定散热器的合理性与可靠性是否在允许的范围之内，并且通过分析结构的合理性进行优化设计。

3.1 热分析模型的建立

简化后模型主要由热源、散热器及开口3部分组成。（1）热源：3块IGBT控制单元，型号均是英飞凌FF900R12IE4，尺寸为172 mmⅹ89 mmⅹ22 mm，总功率损耗Pt=3 365 W。（2）散热器：由基板、壳体和肋片所组成的封闭壳体，尺寸为358 mmⅹ233 mmⅹ25 mm。（3）开口：因为需要冷却液的需要在散热器中循环流动，所以在散热器一侧开2个直径为13 mm的口。

3.2 参数设定以及网格划分

打开SolidWorks软件中的Flow Simulation插件，点击窗口左上方的向导按键来进行参数设定。设置的参数如下：单位系统选择SI标准（为了方便观察，单独将温度单位改为℃）；分析类型选择内流与固体内热传导；默认流体选择液体为23.3%的乙二醇；流动特性选择层流与湍流；默认固体选择AA6063型铝合金；外壁面条件选择绝热壁面（因为假设热量全部由冷却液带走，忽略了避免与空气的热交换）；初始环境温度设为25℃；还需要对边界条件、热源发热量以及模拟目标进行设置。设置的参数如下，入口条件：采用速度入口条件，先设定入口流速为 1 m/s。出口条件：出口设为环境压力（图9）。热源设置为表面热源，这是因为IGBT控制单元与基板面接触，同时忽略向空气散热，热功耗为3 365 W。

图9 模型设置

3.3 网格的划分

在Flow Simulation中，网格的划分有2种形式，分别为自动的网格划分和手工的网格划分。自动网格划分智能简单，但有可能因为网格过于密集，从而导致计算速率下降，加大计算机的负担。这里在自动划分网格的基础上再手动修改，手动确定最小尺寸缝隙和壁面厚度。如果设置过大，则会忽视想要关注的位置的温度；如果设置过小，则会加大计算量[6]

3.4 冷却液流速的选择

选定冷却液介质为23.3%的乙二醇溶液，保持其他初始条件不变，设定不同的流速，进行模拟仿真，分析不同流速对散热效果的影响，从而选定最佳流速。冷却液流速分别是1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s。

不同流速下IGBT温度和流体温度分布云图如图10所示。

将上图中的数据归纳成表3。

将最高温度曲线和压降曲线结合到一起，得到流速与压降及IGBT最高温度间的关系曲线，如图11所示。

随着流速的上升，IGBT最高温度虽然在下降，但流体的压降在不断增大，温度与压降的变化趋势相反。当流速为5 m/s时，虽然IGBT温度达到最小值，但此时流体的压降达到最大，这就意味着需要更高功率的水泵，从而导致水泵的质量增大，所占用的体积也增大，这将降低电动汽车的续航能力以及驾驶空间。

散热器所选用的冷却液流速应该既能够满足降低IGBT温度的要求，又可以使压降尽可能的小。从图上可以看出，当流速大于3 m/s时，IGBT温度的下降速度减缓，而压降增长速度急剧增加，所以可以由此判断，最佳流速在3 m/s左右。实际工作时，水泵在温度传感器的帮助下，可根据IGBT具体工作温度的高低，使冷却液的流速在3 m/s附近变化。

3.5 散热器扰流柱设计

图10 不同冷却液流速下IGBT温度和流体温度分布云图

表3 不同流速下IGBT最高温度、流体压强

图11 流速与压降及IGBT最高温度间的关系

上述的散热器模型结构中，仍有可以优化的部分，可以对模型局部结构进行修改，从而提高散热效果。通过增加冷却液与散热器的接触面积，增加流体的湍流强度，可以进行更有效的散热[7]。所以散热器结构的优化，可以考虑在流道中添加扰流柱，提高流速的扰动性，加大湍流强度。在此结构优化中，主要考虑圆形扰流柱与椭圆扰流柱（图12）。

图12 扰流柱类型

图13 圆形扰流柱热仿真结果

图14 椭圆扰流柱热仿真结果

图15 不同扰流柱湍流强度分布图

表4 不同扰流柱的散热性能分析

增加扰流柱可以提高冷却液的扰流强度，从而提高湍流情况，从而增大散热效果。圆形扰流柱热仿真结果如图13所示，椭圆扰流柱热仿真结果如图14所示。

将扰流柱热仿真结果与之前没有优化的结果相互比较，如表4所示。

通过对比表4可知，添加扰流柱可以有效降低IGBT控制单元的最高温度，提高散热效果，其中圆形扰流柱的散热性能要略高于椭圆形扰流柱。在压降损失方面，圆形扰流柱优于椭圆形扰流柱优于无扰流柱设计。由于设置了扰流柱，可以打破冷却液的平流层，加强湍流强度（图15）。

通过两者间的比较可知，圆形扰流柱的湍流强度要大于椭圆扰流柱，有助于减小冷却液的平流区，增加散热效果，但压力损失也将增大。由此可知，扰流柱的加入有利于增加散热效果，可在不改变水泵配置的情况下合理选用。

4 结束语

通过上述分析计算，对IGBT控制单元所产生的热量进行了估算，并利用SolidWorks软件中Flow Simulation对散热器的散热效果进行了分析，可以看出该水冷散热器的散热能力符合要求，并通过仿真得到最佳的冷却液流速。扰流柱的加装对散热效果有较好提升，不同的扰流柱形状对散热效果影响不大，但会影响冷却液的湍流度。