更高的热效率、更小的电机驱动器尺寸的热设计

更高的热效率、更小的电机驱动器尺寸的热设计下一代汽车，不管是混合动力、燃料电池还是内燃机发动机，都将提供更高的燃油效率和更先进的车载娱乐系统，包括到计算机的连接、视频播放机、导航系统和MP3播放器。然而，这些新增的电子系统将使汽车设计师和制造商面临更多的挑战。车内的电子器件是越来越多，例如绝缘栅极双极晶体管(IGBT)/金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)模块、功率IC或PIC、无源器件及电池等，它们散发出来的废热将严重影响传统空气/液体冷却系统的功能，因为这些系统必须处理多个散布在整个汽车内的高热流量部件(图1)。然而，Amulaire公司开发的创新型冷却板技术可以满足上述高热效率和小尺寸要求，同时能充分发挥现有冷却回路的优势。热设计的再思考电子模块和集成电路(IC)的体积在不断缩小，功能却越来越强大，所有这些器件都必须以一种高效可靠的方式进行散热。这些热解决方案必须具有独创性才能满足汽车制造商对缩小尺寸和减轻重量同时不牺牲性能的要求。显然，靠一个50磅重的铝散热器和一个附属吹风机是行不通的。汽车设计师在液体冷却方面已经有许多年的经验了，他们并不害怕在同一个应用中混合有电子器件和液体。挑战在于找到一个方法能利用发动机仓内现有的泵、水管和散热器给新的电子器件散热。而唯一可行的途径是使用非常高效的冷却板，因为你还必须考虑由于这种散热引起的额外压力下降(如果冷却系统太过苛刻，那么也许需要使用独立的热回路来给电子电路散热，但从成本上看这种做法是行不通的)。就拿混合动力汽车中典型的100kW驱动器为例。废热一般占2%，2,000W的热量被散发。通常一块铝制冷却板的经验参数是每1,000W热量温升30~40℃(具体取决于流速和冷却板的设计)。由于典型的入口流动液体温度约85~100℃，加上冷却板30~40℃的温升，需要冷却的电子器件的壳温和结点温度可能超过130~140℃，这个温度已经超出了制造商的规范要求。

工程师们曾考虑使用微通道和喷射冷却的方法来改善散热效果，但这种方法会极大的增加回路内的压力下降。我们的目标是使用发动机仓内的现有冷却回路，这样可以免除冗余管路、泵和散热器带来的额外费用。增加一个较好的冷却板可以解决许多其它问题，同时能减少为电子器件做一个独立的热回路所带来的成本（图2）。Figure2.Die-castaluminumcoldplateonToyotaPriusinwhichfiveIGBTmodulesaremountecitooppositesidesofthewaterchanne-ls.传统的铝铜嵌入式管道技术的效率不足以满足散除具有85~105℃入口温度的2,000W热量所需的热要求。因为铝的热传导系数约为200W/mK（铸铝约为160W/mK），铜为400W/mK，因此铜是更高热流量应用中的较好选择。然而，铜比较昂贵，加工比较困难，而且比铝重。因此在做冷却板设计量必须将这些问题考虑进去，只在必要时使用铜。新方法Amulaire公司发现，高效的铜冷却板允许热工程师继续使用发动机仓内现有的热回路，同时能够更灵活地缩小电子驱动器或使它们的功能变得更强大。热模型表明，在液体冷却系统中，热量不会向任何方向扩散超过几个毫米。在热源下直接使用铜散热片可以使系统更高效地散热。（当然，增加表面积和这些热点下的湍流速度同样可以提高冷却板的效率）铜冷却板的热性能是现有铝技术的许多倍。另外，大型铸铝冷却板可以缩小到功率电子器件的尺寸大小，有某些情况下甚至可以成为模块本身的组成部分。因为这些冷却板比较高效，因此可以减少驱动器的尺寸，减小IGBT模块的数量，或使用更小的IGBT,从而充分发挥冷却板所具有的热效率。在为汽车市场设计冷却板时，另外一个考虑因素是高流速，它将影响柱子形状。如果准备接进现有的冷却环路，你不希望引入高限制性的解决方案吧。压力下降是冷却板性能的一个重要方面。圆形交叉排列的铜柱形散热片在液体冷却系统中可以提供非常高的效率，并且具有较低的压力下降特性。因为圆形柱没有锐利的边缘，水在里面流动没有阻力，同时交叉排列能够通过分解每个柱子周围形成的液体停滞边界层来帮助热量散发。在本文讨论的汽车电子系统中，热量传递是从热点（如PIC）到铜基板，水则围绕铜柱转圈。因此，整个冷却板都用铜来做并不能增加散热的好处，冷却板的覆盖层不必用铜，可以是铜基板和铝混合使用。然而，必须在回路中增加抑制剂以避免电偶腐蚀问题。你还可以在覆盖层设计中采用复合材料。其它空间节省的设计包括双面冷却板，它能即时冷却六个IGBT模块（图3）。这种设计非常适合刹车应用中的再生系统。因为IGBT模块通常并不是和司机刹车同时运行的，因此不会降低冷却板的效率，从而可以实现紧凑的电子电机驱动器（图4）。Figure3.CopperNan^Pintechnclogy.ThePower&xtripleCM600。。图pistewithplastictubrsm-avedi.000WattswithaS℃riseaton-egallonperminute.

AEure4,Double-sidedconipositsdssignwithNanoPincoldplate.AJar陌即AEure4,Double-sidedconipositsdssignwithNanoPincoldplate.AJar陌即0arrcjrPlasticUsedas-TUB/toholdFluid用螺栓固定与一体化设计上述所有冷却板的设计都是采用螺栓固定的方式（图5），这意味着你可以从喜欢的供应商处购买指定的IGBT,再增加一些热接触材料（TIM）（也有人称为油脂）就全部搞定了。这种方法具有即插即用的优点。Figure员Bolt-ondesign.Figure员Bolt-ondesign.ThermalgreaseAlhousingIcoldplate然而，这种技术的进一步集成是可行的，那些将pic直接安装在基板顶部的早期采用者就是这样做的。集成方案至少可以减少一层TIM和一层铜，从而减少整个解决方案的重量和成本（图6）。它还能提高热效率，让设计师灵活地将驱动器缩得更小，从而设计出极具鲁棒性、功能强大的解决方案，并且不会牺牲可用IGBT模块的满负载特性。

目前的技术已经能将冷却板集成进PIC。然而市场的实际情况是，许多PIC供应商宁愿销售更通用的不集成专门冷却技术的模块，将热解决方案细节留给用户考虑。另一方面，因为集成的柱状散热片基板的散热好处非常大（图7），而汽车领域的高性能需求代表了潜在的大批量，因此我们预测集成模块最终将成为PIC供应商产品的标配。AmulaireSolder.Silicon50IColdplate(baseplate,2rnmCoolantFigure7.IntegratingthecoldplateasabaseplateeliminatesAmulaireSolder.Silicon50IColdplate(baseplate,2rnmCoolantFigure7.Integratingthecoldplateasabaseplateeliminates58%ofthethermslresistsnc-a(chipjunctiontocoldplstejinherentinabclt-oridesign.CopperTCeramicVoBCCopperJ本文小结对新的冷却技术的需求在不断增长，只有尽可能多地消除热阻才有意义。新一代汽车将具有越来越多的电气设备和电子系统，它们的功率密度将由于多功能和多任务而不