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汽车电机驱动功率模块的冷却解决方案

2020年04月17日 09:15 次阅读

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。

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。

汽车电机驱动功率模块的冷却解决方案

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。

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。

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。

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