大功率串励直流电机控制器功率板散热设计分析_图文

1、2008年第12期D 设计分析e s i g n a n d a n a l y s i s 大功率串励直流电机控制器功率板散热设计分析11收稿日期:2008-10-26改稿日期:2008-22-30大功率串励直流电机控制器功率板散热设计分析王程,周汉义,王海华(合肥工业大学,安徽合肥230009摘要:在电机控制器的使用过程中,经常会由于电机控制器本身的过热保护,导致电动叉车不能按时按量的完成工作,特别是在环境温度较高的时候更是如此,从而严重影响了工作进度,为此,通过对电机控制器的重新设计改进,以及其影响散热的主要因素进行考察,最终验证电路板铜箔厚度才是影响电机控制器散热的最主要因素。关键词:

2、散热;功率板;电机控制器中图分类号:T M 33文献标识码:A 文章编号:1004-7018(200812-0011-02D esi gn and Ana lysis of Power Board Rad i a ti on for H i gh Eff i c i ency Ser i es of Exc it a ti on DC M otorWAN G Cheng,ZHOU Han -yi,WAN G Hai -hua(Hefei University of Technol ogy,Hefei 230009,China Abstract:Mot or contr ollers often

3、 st op s working because its temperature is t oo high t o reach its te mperature of p r otec 2ti on,therefore,the work of electric f orklift can not be comp leted as scheduled,es pecially in the envir on ment of high te mpera 2ture .The p r ogress of work is seri ously affected .The most i m portant

4、 fact or of radiati on has been found after redesigning its mot or contr oller .Result of the experi m ent shows that the most i m portant fact or of radiati on is PCB board thickness of cooper f oil .Keywords:radiati on;PCB thickness of cooper foil;mot or contr oller0引言电动叉车用电机是2.28k W 的大功率串励直流电动机,其

5、控制器采用模拟电路设计,已得到广泛应用。该控制器分为控制板和功率板两部分。其中控制板中的温度保护、短接保护等各种保护电路保证了电机控制器在恶劣的情况下可以正常工作,并且不会损坏电池或者电机;功率板则包括了电流限制的取样电阻和反馈信号,最重要的是它承受着控制器几乎全部的电流和热量。如果功率板不能尽快地将热量散去,将会导致控制器内部温度迅速上升,很快达到温度保护电路的极限而进行保护,从而使电动叉车的使用效率大大降低,尤其在炎热的夏天更是如此。然而,目前系统研究关于决定功率板散热的主要因素和文献较少。根据当前控制电动叉车行走电机控制器中功率板的热量如何及时散去的问题,我们进行了一系列的实验。由于电机

6、控制器功率板正常工作状态下的平均工作电流能达到上百安培,瞬时电流甚至可以达到600A 。在4548V 的工作电压下,大约有12k W 的功率消耗在电路板上,功率板的散热好坏决定了该控制器的质量。我们通过对控制器不同条件下的实验,探讨了功率板散热的影响因素。1影响功率板散热的一些因素1.1散热底座散热底座放置的位置以及其与被放置的平台所接触的面积和良好程度决定了底座的散热情况。另外,芯片与底座的接触是否良好也决定着最终散热的好坏。1.2功率管的选择常用的功率管有I RF3710、I RF B4710、I RF B4310。其中,I RF3710和I RF B4710是专用的电机控制器MOSFET

7、 管。这三种芯片的主要区别如表1所示。表1三种芯片的性能比较I RF3710I RF B4710I RF B4310导通内阻R DS /m2314 5.67.0漏极最大电流I D /A 5775140线性降额因子/(W -根据芯片资料的对比分析,得出的结论是,I RF B4310在所能承受最大电流方面明显优于I RF3710和I RF B4710,但是在随管壳温度升高的过程中,其所能承受的最大耗散功率也下降得非常迅速。1.3电路板铜箔厚度铜箔的厚度对于电路板本身所能承受的电流和热量的大小起到决定性的作用。最常用的铜箔厚度在18m ,较厚的大约在75m 。而针对控制器中的大电

8、流和大功率的问题,我们采用了多种铜箔的D 设计分析e s i g n a n d a n a l y s i s 2008年第12期 大功率串励直流电机控制器功率板散热设计分析12厚度进行实验对比。2实验过程(400A,48V 规格的控制器根据对电机控制器的规格要求,在正常情况下,控制器的平均输入电流应该可以保持在100A (环境温度25左右并持续较长的时间。而最大电流时候(平均输入电流为200A 则持续时间很短,即控制器内部温升很快,迅速到达温度保护电路中设定的85。实验就是依据这样一个工作标准,使用不同的功率管和电路板的不同铜箔厚度,通过对控制板电位器的调节,改变P WM 信号的占空比控制

9、其工作电流的大小,以测试其是否可以满足规格要求,以及在功率板工作中,影响其散热良好程度的因素。2.1芯片采用I RF3710/I RF B4710/I RF B4310,铜箔厚度为175m ,保持环境温度25从图1中可以看到,在保持室温25,铜箔厚度为175m ,整机持续工作的情况下,I RF B4710的承载电流明显比I RF3710大,而I RF B4310所能承载的长时间工作电流则最小。这可能是因为I RF B4310管芯所能承受的耗散功率随管壳温度每升高1降低2.2W ,而I RF3710/I RF B4710则每升高1降低1.3/1.4W ,即随着芯片温度的升高,I RF B4310

10、的带载能力也明显下降,管芯温度迅速上升,使得整机达到设定的保护温度从而停止工作。对比I RF3710/I RF B4710则因为其管芯所能承载功率随温度升高而发生的变化相差不大,综合导通内阻和最大漏极电流的因素,使得I RF B4710的持续工作时间比I RF3710明显有所提升。图1功率管对持续工作时间的影响由以上实验我们可以得出,功率管本身并不是影响功率板散热的主要因素。从图2中,我们可以明显地看到,铜箔厚度达到150m 的实验数据明显要比铜箔厚度只有18m 的数据好很多。在工作电流100A 时,150m 的控制器的工作时间比18m 的控制器提高了一半多,并且在100A 以下时,甚至都可以

11、连续工作几个小时都不会到达温度保护电路中限定的温度。图2铜箔厚度对持续工作时间的影响从图3中同样可以看到,在功率管相同、环境温度相同的情况下,175m 铜箔厚度的实验数据明显比50m 的数据好很多。在铜箔厚度为50m 工作电流为140A 的情况下,I RF B4310只工作了25m in 便达到了温度保护设定的温度,而175m 的铜箔厚度下,却可保持140A 的工作电流长达几个小时而并未达到应保护的温度。图3铜箔厚度对持续工作时间的影响从以上数据可以看出,铜箔厚度对功率板的散热效果起到了重要的作用。3结语从实验数据可以看出,所研制的控制器满足实用要求,并且不同的MOSFET 管对控制器的工作效

12、率有一定的影响,但是MOSFET 管本身的性能并不是功率板散热的主要因素,功率板的铜箔厚度才是对其散热起着主要作用的因素。参考文献1王水平,周培志,张耀进.P WM 控制与驱动器使用指南及应用电路M .西安电子科技大学出版社,2005.2张琛.直流无刷电动机原理和应用M .北京:机械工业出版社,1996.3I R 公司.I RF3710E B .htt p:/www .datasheetcatal og .org/datasheet/irf/irf3710.pdf .4I R 公司.I RF B4710,I RFS4710,I RFS L4710EB .htt p:/www .datashee