新能源汽車電控系統(tǒng)及散熱技術(shù)簡述（下）
引 言
新能源汽車電控系統(tǒng)中主要的發(fā)熱設(shè)備為逆變器，其作用是把電池的直流電逆變成可驅(qū)動(dòng)電機(jī)的交流電。在這個(gè)過程中，逆變器中的IBGT將會(huì)產(chǎn)生大量熱量。為解決這些設(shè)備的散熱問題，本文將介紹逆變器工作原理及先進(jìn)液冷散熱技術(shù)。
一、逆變器工作原理及散熱問題簡介
在新能源汽車的電控系統(tǒng)中，逆變器作為連接高壓電池和電機(jī)動(dòng)力之間相互轉(zhuǎn)化的裝置，對電動(dòng)汽車的正常行駛起到很重要的作用，逆變器是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉(zhuǎn)變成定頻定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電(一般為220V,50Hz正弦波)的轉(zhuǎn)換器，保證新能源汽車的電能轉(zhuǎn)換。
圖1 汽車逆變器
圖2 逆變器基本電路構(gòu)成示意圖
純電動(dòng)汽車上的逆變器位于電機(jī)控制器（MCU內(nèi)），除了逆變器外，還有控制器一起組合在MCU內(nèi)，MCU是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的控制中心。控制器是接受驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求信號，當(dāng)車輛制動(dòng)或者加速時(shí)，控制器控制變頻器的頻率升降使汽車行駛。
逆變器接受動(dòng)力電池輸出的直流電能，逆變成三相交流電提供給電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在電動(dòng)汽車制動(dòng)過程中又起到制動(dòng)回收電能的作用。如下圖所示，逆變器內(nèi)部是由6個(gè)IGBT組成，x型號排列是Sa-Sc。電動(dòng)機(jī)的每一相輸出線（Ia、Ib和Ic）和正負(fù)直流線都連接著一個(gè)IGBT。
圖3 逆變器內(nèi)部IGBT組成圖
逆變器工作時(shí)，逆變器中的開關(guān)元件IGBT模塊會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，當(dāng)其溫度超過150℃時(shí)，IGBT則無法發(fā)揮作用，所以要使用風(fēng)冷或者水冷的散熱設(shè)備。IGBT模塊在電動(dòng)汽車的安全駕駛中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其工作的熱穩(wěn)定性成為評價(jià)電驅(qū)系統(tǒng)性能高低的關(guān)鍵。作為電動(dòng)汽車及充電樁等設(shè)備的核心技術(shù)部件。IGBT模塊占電動(dòng)汽車成本將近10%，占充電樁成本約20%，并且其工作的熱穩(wěn)定性成為評價(jià)電驅(qū)系統(tǒng)性能高低的關(guān)鍵。
1、電動(dòng)控制系統(tǒng)大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅(qū)動(dòng)汽車電機(jī)；
2、車載空調(diào)控制系統(tǒng)小功率直流/交流(DC/AC)逆變，使用電流較小的IGBT和FRD；
3、充電樁智能充電樁中IGBT模塊被作為開關(guān)元件使用；
圖4 IGBT模塊結(jié)構(gòu)簡圖及新能源汽車半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用
二、電控系統(tǒng)先進(jìn)水冷散熱技術(shù)介紹
為解決目前電控系統(tǒng)的散熱需求，現(xiàn)已有多種先進(jìn)液冷散熱技術(shù)。這些技術(shù)各有適合的應(yīng)用場景，具有各自獨(dú)特的特點(diǎn)。
模塊單面水冷技術(shù)
模塊雙面壓接在水冷散熱器兩側(cè)，通過在水冷散熱器兩側(cè)涂抹導(dǎo)熱硅脂以及設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)或其他形式的絕緣以及散熱連接。冷卻液在流道中流經(jīng)模塊將熱量帶走。
特點(diǎn)：
結(jié)構(gòu)緊湊；
模塊成本低；
體積非常小；
冷板利用率高。
圖5 逆變器結(jié)構(gòu)爆炸圖
雙層水冷技術(shù)
模塊雙面壓接間接水冷散熱器，通過在模塊兩側(cè)涂抹導(dǎo)熱硅脂以及設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)或其他形式的絕緣以及散熱連接。冷卻液在流道中流經(jīng)模塊兩側(cè)將熱量帶走。
特點(diǎn)：
l 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活；
l 成本較低；
l 體積非常小；
l 基板利用率高；
l 功率密度高。
適合用于體積小，功率密度大，成本低的車用散熱需求。
圖6 雙層水冷技術(shù)示意圖
ShowerPower技術(shù)
以銅底座模塊實(shí)現(xiàn)直接水冷以降低系統(tǒng)熱阻的目的。使用帶有擾流效果的散熱結(jié)構(gòu)，從而大大增加了冷卻液和銅底板的接觸面積，增加換熱效率。
特點(diǎn)：
l 擾流效果好；
l 換熱效率高；
l 均溫性好；
l 模塊可靠性高。
適合用于要求可靠性高，換熱密度大，均溫性好的散熱工況。
圖7 ShowerPower示意圖
IGBT針腳水冷基板技術(shù)
Pin-fin結(jié)構(gòu)的針腳水冷基板適用于功率較大的水冷設(shè)計(jì)的IGBT封裝模塊，使用該結(jié)構(gòu)消除功率模塊與針腳水冷基板間的導(dǎo)熱硅脂或其他填充材料。使水冷結(jié)構(gòu)直接與模塊換熱。
特點(diǎn)
l 模塊可靠性高
l 換熱效率高
l 直接與基板接觸，熱阻小
l 可靠性高
適合用于大功率，水冷設(shè)計(jì)，對熱阻要求高的散熱工況。
圖8 IGBT針腳水冷基板
IGBT水冷模塊一體化散熱模塊技術(shù)
水冷模塊一體化冷板將散熱模塊和功率模塊一體化，提高了散熱器和功率模塊的配合程度，集成化程度高。
l 模塊可靠性高；
l 熱阻小；
l 換熱效率高；
l 集成化程度高；
l 方便更換模塊；
l 成本低。
適合用于批量化的模塊化產(chǎn)品。
圖9 IGBT針腳水冷基板
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