一种车用电控单元散热器设计与测试

一 种 车 用 电 控 单 元 散 热 器 设 计 与 测 试 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网 摘 要 ： 在 汽 车 电 控 设 备 设 计 中 ， 电 子 器 件 是 设 备 中 的 关 键 器 件 ， 电 子 器 件散 热 设 计 的 好 坏 直 接 影 响 整 个 系 统 的 可 靠 性 .文 章 介 绍 了 一 种 车 用 电 控 设 备 中50w 散 热 器 的 设 计 ， 并 从 使 用 角 度 介 绍 了 散 热 器 的 热 导 分 析 及 散 热 器 设 计 ， 对 实验 数 据 与 仿 真 分 析 结 果 进 行 了 对 比 分 析 ， 验 证 了 设 计 的 有 效 性 .引 言近 年 来 ， 电 子 技 术 在 汽 车 ， 特 别 是 新 能 源 汽 车 上 得 到 了 广 泛 应 用 和 迅 猛 发 展 .同 时 ， 人 们 对 汽 车 功 能 要 求 的 不 断 增 多 ， 使 得 汽 车 电 器 设 备 的 集 成 度 也 越 来 越 高 ，汽 车 电 器 设 备 的 功 能 集 成 化 .大 功 率 .小 型 化 是 汽 车 电 子 未 来 的 发 展 方 向 .随 着 电 子 产 品 轻 薄 小 型 化 .高 性 能 化 .IC 器 件 高 集 成 化 的 发 展 ， 电 子 设 备 产生 的 热 量 使 内 部 温 度 迅 速 上 升 ， 如 果 不 及 时 将 该 热 量 散 发 ， 设 备 会 继 续 升 温 ， 器件 就 会 因 过 热 而 失 效 ， 电 子 设 备 的 可 靠 性 将 下 降 ， 甚 至 造 成 芯 片 被 瞬 间 击 穿 而 损坏 .因 此 对 电 子 产 品 的 散 热 能 力 提 出 了 更 改 的 要 求 ， 同 时 推 动 了 电 子 产 品 散 热 设 计技 术 的 不 断 提 高 .1 热 量 产 生 及 散 热 器 热 传 导 分 析电 子 器 件 作 为 汽 车 电 控 设 备 系 统 的 关 键 部 件 ， 既 要 使 汽 车 电 控 设 备 的 性 能 满 足整 车 要 求 ， 也 要 保 证 汽 车 电 控 设 备 具 有 足 够 的 安 全 性 和 可 靠 性 .对 于 在 现 有技 术 下 提 供 的 汽 车 电 控 设 备 ， 为 了 达 到 更 高 的 能 量 密 度 与 功 率 密 度 ， 功 率 驱 动 单元 模 块 大 多 通 过 多 个 功 率 单 管 间 的 串 联 或 并 联 构 成 ， 这 样 功 率 模 块 的 输 出 电 压 或输 出 电 流 将 大 大 提 高 ， 以 满 足 对 汽 车 的 驱 动 要 求 .在 工 作 过 程 中 ， 汽 车 电 设 备的 功 率 驱 动 PCB 总 成 是 热 量 产 生 的 最 主 要 来 源 .热 量 传 导 过 程 分 析 ： 功 率 器 件 表 面 贴 装 在 电 路 层 ， 器 件 所 产 生 的 热 量 通 过 绝 缘层 传 导 到 金 属 基 层 ， 然 后 由 金 属 基 板 扩 展 到 模 块 外 部 ， 与 外 界 环 境 实 现 热 交 换 ，实 现 对 器 件 的 散 热 ， 如 图 l 所 示 .金 属 基 板 采 用 何 种 金 属 ， 主 要 取 决 于 热 膨 胀 系 数 .热 传 导 能 力 .强 度 .硬度 .重 量 .表 面 状 态 和 成 本 .金 属 基 板 基 本 都 采 用 了 铝 板 .铝 材 散 热 器 是 使 用 铝 合 金 材 料 通 过 挤 压 成 型 ， 为 增 大 单 位 体 积 的 散 热 面 积 ， 成型 后 的 散 热 器 上 呈 现 波 纹 齿 ， 这 种 结 构 增 强 了 散 热 器 的 散 热 能 力 .有 效 减 小了 功 率 模 块 和 散 热 器 之 间 的 导 热 内 阻 ， 能 够 快 速 把 功 率 模 块 上 的 热 量 导 出 ， 及 时为 功 率 模 块 冷 却 ;为 了 补 充 机 械 加 工 中 的 缺 陷 ， 在 散 热 器 平 面 上 涂 覆 一 层100 u m 的 导 热 膏 填 充 散 热 器 和 功 率 模 块 之 间 接 合 时 的 细 小 空 间 ， 这 要 求 在 加 工过 程 中 对 功 率 器 件 的 安 装 面 进 行 表 面 机 械 加 工 处 理 ， 并 保 证 具 有 一 定 的 平 面 度 .粗糙 度 .总 之 ， 散 热 器 的 结 构 设 计 .表 面 处 理 和 导 热 辅 料 的 涂 覆 ， 为 功 率 模 块 创 造了 良 好 的 外 部 散 热 环 境 ， 可 以 保 证 功 率 模 块 的 可 靠 与 稳 定 地 运 行 ， 延 长 了 功 率 模块 的 工 作 寿 命 .2 散 热 器 设 计散 热 片 通 过 对 流 和 辐 射 散 热 ， 其 中 对 流 散 热 占 主 导 .参 考 鳍 片 形 状 (如 图2和 表 1所 示 )设 计 资 料 ， 对 主 要 尺 寸 进 行 如 下 设 计 ：(1)根 据 控 制 器 的 安 装 位 置 ， 短 风 道 风 阻 小 .尽 可 能 增 加 散 热 表 面 积 ， 同 时选 择 鳍 片 平 行 于 散 热 底 板 短 边 。(2)鳍 片 之 间 的 间 隔 .由 于 BSG 控 制 器 安 装 位 置 空 气 流 速 随 不 同 工 况 变 化 较大 ， 且 有 时 会 工 作 在 空 气 流 速 接 近 为 0的 工 况 下 ， 为 保 证 在 较 低 风 速 下 散 热 底板 能 有 效 散 热 ， 要 求 鳍 片 间 有 足 够 的 间 距 .但 过 大 的 鳍 片 间 距 会 造 成 鳍 片 数 目的 减 小 而 减 小 散 热 片 面 积 ， 从 而 减 小 散 热 片 的 散 热 能 力 .在 散 热 片 壁 面 会 因 为表 面 的 温 度 变 化 而 产 生 自 然 对 流 ， 造 成 壁 面 的 空 气 层 流 ， 空 气 层 的 厚 度 约 为 2mm,鳍 片 间 隔 应 在 4mm 以 上 才 能 确 保 自 然 对 流 顺 利 .此 时 散 热 底 板 齿 间 距 为 8mm 左右 .(3)鳍 片 厚 度 .控 制 器 工 作 在 起 动 状 态 时 ， 功 率 管 的 瞬 态 电 流 较 大 ， 因 此 控 制器 有 较 大 的 瞬 态 热 冲 击 ， 要 求 散 热 底 板 鳍 片 有 足 够 的 厚 度 .当 鳍 片 的 形 状 固 定 ，厚 度 及 高 度 的 平 衡 变 得 很 重 要 ， 特 别 是 鳍 片 过 厚 而 高 度 不 够 时 ， 会 造 成 前 端 传 热的 困 难 ， 使 得 散 热 片 即 使 体 积 增 加 也 无 法 增 加 效 率 .散 热 片 过 薄 而 高 度 变 短 时 ，增 加 了 表 面 积 但 会 使 散 热 片 的 体 积 减 小 而 造 成 散 热 能 力 下 降 .根 据 参 考 值 ， 鳍片 厚 度 设 计 为 4mm,拔 模 角 为 3(4)由 于 功 率 管 在 控 制 器 散 热 底 板 上 不 是 完 全 均 布 ， 为 保 证 有 效 散 热 ， 在 功 率管 较 为 集 中 的 地 方 尽 量 多 分 布 散 热 鳍 片 .(5)根 据 对 流 换 热 的 基 本 公 式 知 ， 尽 可 能 增 加 散 热 底 板 的 散 热 表 面 积 ， 可 以 有效 增 加 散 热 底 板 的 散 热 能 力 ， 可 以 通 过 在 鳍 片 表 面 增 加 波 纹 齿 的 情 况 下 有 效 增 加散 热 底 板 的 散 热 表 面 积 .但 考 虑 到 热 传 导 和 风 阻 的 影 响 ， 波 纹 齿 的 深 度 不 超 过0.5mm 为 宜 .综 合 考 虑 以 上 情 况 并 结 合 PCB 驱 动 板 及 控 制 器 整 体 形 状 ， 散 热 底 板 设 计 如图 3所 示 .3 散 热 器 热 仿 真 与 试 验 分 析3.1仿 真 结 果对 设 计 的 散 热 器 ， 按 如 下 条 件 进 行 CAE 建 模 仿 真 ：按 总 热 耗 功 率 80W,将 热 耗 功 率 平 均 分 布 在 散 热 器 上 进 行 仿 真 ， 每 次 仿 真 热 监控 点 ： 2个 (PCB 板 .散 热 器 中 心 位 置 各 一 个 )， 当 散 热 器 中 心 位 置 的 温 度 变 化 在30min 不 超 多 l 时 ， 认 为 散 热 器 达 到 热 平 衡 ， 仿 真 结 束 .通 过 仿 真 结 果 如 表2:3.2试 验 结 果通 过 实 验 测 得 在 80W,55W,30W 的 功 率 下 ， 散 热 器 中 心 平 衡 温 度 的 温 升 分 别 约为 73 .54 .27 ， PCB 板 中 心 温 度 的 温 升 分 别 约 为 72 .55 .37 如 图 4.4 结 论通 过 比 较 仿 真 与 测 试 实 验 的 温 升 数 据 比 较 ， 它 们 的 温 升 差 异 不 大 ， 且 在 无 风 的状 态 下 温 升 不 超 过 90 .同 时 ， 考 虑 到 控