双面水冷IGBT在车载电机控制器中的应用

霍 达，胡 磊

(东风汽车公司技术中心，武汉 430000)

0 引 言

新能源汽车使用电驱动系统作为动力源，其电机控制器作为主要的电力转换与传输部件，在车辆行驶中会产生较多的热量，能否得到有效冷却是决定电机控制器及车辆是否正常工作的关键。绝缘栅双极晶体管(以下简称IGBT)是电机控制器内的核心部件，运行温度是影响其性能和可靠性的关键因素。随着新能源汽车的动力需求不断提升，电机控制器的功率要求越来越高，IGBT则需要达到更高的工作电流，相应的，晶体管会产生更多的热量。传统的单面水冷式IGBT封装在热阻、散热能力上已无法满足高功率电机控制器的散热需求。另外，当电机控制器高功率运行时，会产生较大的三相电流，而三相铜排作为电机控制器与电机之间的电力传输部件，会产生大量的焦耳热，使铜排达到较高的温度水平。铜排过高的温度一方面会使控制器腔体内温度提高，不利于其他器件的正常工作；另一方面会使铜排的电阻升高，产生较高的损耗，降低效率。

同时，高功率电机通常会适配后驱车型，为了追求车内乘坐空间，电机及电机控制器在整车下的布置空间会非常有限，尤其在纵向方向上的尺寸要求更为苛刻。为此，电驱动系统需采用高度集成式的设计，尽可能减小体积，提高功率密度。

文献[1]介绍了一种双面水冷式IGBT的结构及封装，文献[2]介绍了一种采用双面水冷IGBT的电机控制器。本文介绍了一款电机控制器，设计最大功率达到240 kW，最大输出电流1 200 A，功率模块选用双面水冷式IGBT，连接形式为6个半桥两两并联，并为IGBT设计了配套的散热器。三相铜排采用叠层母排，U、V、W三根铜排分别用绝缘材料包塑后粘合成一个整体。散热器为叠层母排专门设计了散热结构，能够为IGBT和叠层母排同时进行冷却散热，在保证IGBT不超过温度限值的同时，可以将叠层母排的温度保持在较低水平。在电机控制器整体设计方面，采用集成式设计，可以与电机、减速箱装配为集成式电驱动总成。控制器的布置方式有效降低了电驱动总成在纵向方向上的高度，具有较好的布置可行性与通用性。

1 方案设计

1.1 双面水冷IGBT及散热器模块

本文设计的双面水冷IGBT及散热器方案如图1所示。该方案主要包括6个双面水冷IGBT及配套设计的散热器，另外在高压端设计了绝缘支架，可以起到对端子的固定和保护作用，另一方面可以实现和端子与散热器之间的绝缘。

图1 双面水冷散热器

本设计方案选择的双面水冷IGBT如图2所示。其包括两个直流输入端子、一个交流输出端子和相应的低压端子。两个直流端子分别与电机控制器内母线电容的正负极相连接，交流输出端子与电机的三相输入端子相连接，低压端子直接与驱动控制电路板焊接。双面水冷IGBT封装的正反两面均附有两个表面镀铜的散热表面，两个散热表面与散热器之间填充导热材料后，可实现对IGBT的双面冷却。相比传统的单面冷却封装，带来的直接优势是可以获得较高的输出电流，提高电驱动总成的输出功率，并且高效的散热可以使IGBT的工作温度保持在较低水平，降低了IGBT失效风险，提高了电机控制器的运行可靠性。结合当前市面上现有的IGBT型号，本文采用6个双面水冷IGBT，两两并联，可以为电机输出单相最高1 200 A的电流，电驱动总成最大功率可以达到240 kW。

图2 双面水冷IGBT

在冷却系统方面，整个双面水冷模块设计有一个进液口和一个出液口。进液口直接作为电机控制器的进液口，与整车冷却系统相连接，出液口直接与电机冷却水道硬连接，实现电驱动系统的冷却系统集成，减少了外部管路的使用。

双面水冷IGBT配套散热器设计方案如图3所示。三对两两并联的IGBT并排放置，散热器水道由三个分布在IGBT两侧的水道并联而成，每个水道通过两块水冷板焊接形成，水冷板材料使用铝合金，铝具有较低密度和较高导热系数，有利于提高散热器的导热性能，降低散热器整体质量。焊接工艺的使用减少了密封圈和螺栓的数量，简化整体结构，有效降低整个IGBT散热模块的体积和质量。

图3 水冷板焊接方式

IGBT散热器水道连通方式如图4所示。整个散热器包括一个进液口和一个出液口。在IGBT的长度方向有三个平行的水道，分布在IGBT的两侧，使每个IGBT与散热器接触的正反两面均有冷却液的流动，实现双面水冷。图4展示了流道内流速分布的仿真结果。

图4 散热器剖面

实际上，仅由水冷板组成的冷却水道内，冷却液与散热面的接触面积很小，不足以体现出散热能力，需要在流道内加入一些复杂结构来增加冷却液与水冷板的接触面积，使换热面积最大化。本文选用一种薄翅片结构，如图5所示，翅片通过焊接固定在水冷板上，三个并联的水道内均附有该类型的翅片。翅片的加入有效提高了散热器的散热能力。

图5 双U型翅片结构

在三个并联水道内均加入翅片，保证每个IGBT的两个散热面分布有散热翅片，双U型的散热翅片可以有效增大换热面积，并且可以增强水道内的扰流效果，翅片的壁厚较薄，不会明显增大散热器的流阻，并可以有效降低热阻。

温度分布云图及计算结果如图6所示。通过计算，翅片可以明显降低冷却液对IGBT的热阻，并且对流阻的影响较小。相比较，加入翅片结构与无翅片结构，在进液口温度65 ℃，冷却介质为乙二醇水溶液(50∶50)时，热阻降低46%，流阻增大5%。

图6 有无翅片时，热阻、流阻的仿真数据对比

1.2 叠层母排及散热结构

三相铜排是电机控制器内部重要的电力传输部件，IGBT产生的三相交流电通过三相铜排输出给驱动电机。在设计中，由于设计空间有限，并且考虑到装配便利性，通常将三根铜排用绝缘膜包塑后重叠在一起，形成叠层母排。叠层母排结构紧凑，便于装配，并且可以有效降低杂散电感。随着对电机控制器功率密度和电磁兼容性能要求的不断提高，叠层母排成为更具有优势的部件。

但是，随着电机控制器功率的提升，叠层母排的发热问题变得严峻，由于铜排被导热性能较差的绝缘膜包裹，不利于铜排的热量散发，再加上重叠的设计，使三根铜排的散热面减少，在大功率运行时，铜排产生的热量无法散出，使铜排达到很高的温度水平。铜排温度升高会增大铜的电阻，造成更高损耗，降低效率；另一方面，铜排的温度会烘烤整个控制器腔体，对其他器件的运行造成影响。更重要的是，温度过高会使铜牌之间的绝缘膜失效，造成严重的绝缘故障，如何解决大功率电机控制器内叠层母排的发热问题是非常重要的。

本文采用一种叠层母排散热方案，通过双面水冷散热器的水冷板来对叠层母排进行散热。最靠近进液口的水冷板具有最低的温度，可以与冷却液的温度保持相近，再加上铝高效的导热，可以有效对叠层母排进行散热。叠层母排散热结构如图7所示。

图7 叠层母排散热结构

水冷板上设计有散热凸台，并采用了翅片设计，在提升凸台强度的同时，加大了散热面积。叠层母排通过绝缘导热垫与从水冷板引伸出的凸台相接触，叠层母排产生的热量通过绝缘导热垫传递给散热凸台，散热凸台的热量通过翅片传递给与冷却液接触的水冷板内表面，最终由冷却液带走热量，从而实现对叠层母排的散热。

为了保证三相铜排、导热垫和散热凸台之间的贴合紧密程度，本文单独设计了一个压板，如图8所示，对叠层母排在竖直方向上进行压紧，一方面可以去除导热面之间的间隙，提高导热效率；另一方面可以起到防止叠层母排振动的功能。

图8 压板结构

温度分布云图及计算结果如图9所示。通过计算，散热结构的加入可以明显降低叠层母排的温度。加入散热结构与无散热结构相比较，在环境温度85 ℃，冷却液温度65 ℃，冷却介质为乙二醇水溶液(50∶50)时，叠层母排最高温度降低8%，铜排损耗降低5%。

图9 有无散热结构时，最高温度和铜损的仿真数据对比

1.3 薄膜电容及散热结构

由于电机控制器功率较大，薄膜电容的发热也较为严重，较高的工作温度会降低薄膜电容的寿命及可靠性，为此，需要对电容设计散热结构。本文中薄膜电容的外壳设计有散热凸台，装配后，散热凸台面粘贴导热垫后与双面水冷散热器的背面相贴，电容产生的热量通过导热垫传递给双面水冷散热器外壳，最终由冷却液带走热量，实现对薄膜电容的散热。薄膜电容如图10所示。

图10 薄膜电容

温度分布云图及计算结果如图11所示。通过计算，电容散热结构的加入可以明显降低薄膜电容芯卷及铜排的温度。相比较，加入散热结构与无散热结构，在环境温度85 ℃，冷却液温度65 ℃，冷却介质为乙二醇水溶液(50∶50)时，芯卷最高温度降低6%，铜排最高温度降低8%。

图11 有无散热凸台时，芯卷和铜排最高温度仿真数据对比

1.4 整体控制器结构

电机控制器最高功率240 kW，整机体积6.15 L，功率密度为39 kW/L。

整个电机控制器内部布置如图12所示，接口部分包括一个冷却液进液口、一个冷却液出液口、一个三相输出接口、一个高压直流输入接口和一个信号接口。整机包括一套悬置安装点，可直接固定在电机与减速器上，形成电驱动总成。

图12 控制器整体结构

其中电机控制器的进水管为单独零件，进水的朝向可以根据冷却系统要求进行调整。出水口与电机进水口对插连接，取消外界水管设计，提高集成度。高压连接方式选用一体式线接头，相比快插式的连接方式可以降低成本。

1.5 总成结构

总成包括电机控制器、驱动电机和减速器。控制器布置在驱动电机斜后方，有效降低了总成的纵向高度，便于整车布置，满足后驱车型的空间要求。

总成结构如图13所示。总成采用三相高压线、旋变线束内置设计方式，提高集成度，总成之间无线束连接，仅有一个高压输入接口和低压信号接口。电机控制器冷却水道与驱动电机冷却水道硬连接，总成之间无外部管路，总成仅留有一个进液口和一个出液口。

图13 总成结构

2 结 语

本文设计了一款240 kW电机控制器方案，并展示了总成搭载方案，其中功率模块采用双面水冷式IGBT，有效提高了电机控制器的功率密度。对高功率大电流带来的器件发热问题，关键器件分别设计了散热结构，通过计算评估了散热效果。电机控制器主要特点有：

1)功率模块采用双面水冷式IGBT，并设计了配套散热器，水道内双U型翅片的加入，可以降低热阻46%，流阻增大5%。

2)叠层母排设计了散热结构，利用双面水冷散热器进行散热，铜排最高温度降低8%，铜损降低5%。

3)针对薄膜电容设计了散热结构，利用双面水冷散热器进行散热，芯卷最高温度降低6%，铜排最高温度降低8%。

4)电机控制器整机功率密度可达39 kW/L，相比传统单面水冷电机控制器提高了30%。