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功率技術/新能源  

為發動機驅動電路冷卻選擇適當散熱片

上網時間: 2007年07月30日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:散熱片  驅動電路冷卻  混合動力電動汽車 

混合動力汽車(HEV)或充電電動汽車(PEV)通常使用電機驅動功率模組,如IGBT模組,這些模組會產生非常大的熱量,通常為1,000W~2,000W。冷卻這些汽車電子功率模組的唯一有效方法是水冷,而不是風冷,因為水的熱傳導率是空氣的20倍。水還具有很高的熱量吸收能力,是空氣的4倍。

在大多數的汽車應用中,功率模組都具有這樣的熱挑戰。事實上,有專門的獨立冷卻循環來對其進行冷卻。散熱片可用來將功率模組的熱量傳導到冷卻液,成為冷卻循環的重要部份。那麼,如何選擇最佳的液體冷卻散熱片呢?要做出這個選擇需,必須在多種考慮因素之間進行權衡,如熱性能、重量、成本、可靠性和可製造性。讓我們看看IGBT晶片產生的熱量是如何透過冷卻液傳導。

改善導熱性能

首先,熱必須透過直接接合銅(DBC)底層轉移出來,然後經過模組基板(base plate),透過熱油脂再進入到栓接的散熱片(見圖1)。這部份的熱量轉移完全是透過熱傳導來實現的。

為改善傳導熱轉移,設計人員可選擇具有最高導熱係數(k)的材料,或降低層厚度,或是減少熱源與冷卻液之間的層數。例如,與氧化鋁(k=25到35W/mK)相較,將氮化鋁陶瓷(k=160W/mK)作為DBC基底材料是一種不錯的選擇。相對於鋁(k=220W/mK)或鋁矽炭化物(AlSiC,k=170~180W/mK)來說,銅(k=390W/mK)材料是模組基底的更好選擇。簡言之,如果不選擇非常昂貴的材料,你所選擇的材料導熱性能不會超過銅。

不過,你也能簡化散熱片材料的選擇,即在鋁、AlSiC和銅之間選擇。鋁很輕而且便宜,但導熱性能普通,而且沒有合適的製造方法來獲得較大表面積。鋁鑄模無法獲得高密度,而且容易產生孔隙,會導致冷卻液泄漏。鋁還具有比較高的熱膨漲係數(CTE~23ppm/C),因此不適合作為功率模組基板材料。

AlSiC很輕,但很昂貴,被加工用來降低CTE以接近IC材料,通常做成9~12ppm/C之間。AlSiC的鑄造製程難以實現更大的冷卻表面。而且鑄模磨損很快,這將導致更換鑄模的成本。最後,該材料的導熱率相對比較差,約為k=170w/mK。因此,AlSiC從來沒有作為栓接冷卻片材料,在實際應用中,只有在需要非常高的可靠性的時候,才選擇AlSiC作為基板材料。

銅具有很高的導熱率、可接受的成本,最重要的是可利用先進鑄模技術形成具有非常密集pin fin形狀的散熱片(如Amulaire Nanopins)。銅鑄模能達到的pin fin可實現超過鋁或AlSiC散熱片3~5倍的散熱表面積。儘管銅的CTE較高(17ppm/C),但仍成功地被汽車應用採用,作為功率模組的基板/散熱片,其製造製程是基於銅基板的設計。

圖1:冷卻系統的組成示意圖。
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圖1:冷卻系統的組成示意圖。

設計方案

最佳化功率模組冷卻的一種選擇是用散熱片取代功率模組基板。這能有效去除組裝中的兩個層(原有基板和導熱油脂),大幅改善了從晶片到散熱片的熱傳導。

一旦熱量轉移到散熱片牆,冷卻液對散熱片的冷卻就取決於對流熱傳導。基本的對流熱傳導方程式為:

q=hA(Tw-Tf)

其中q為傳導的熱量,單位為瓦,h是對流熱傳導係數,A為散熱片與冷卻液接觸的表面積,Tw是散熱片牆的溫度,Tf為流動液體的溫度。

如前面所述,Tw的大小決定於從IGBT晶片經過功率模組元件傳導到散熱片牆的熱量,Tf由冷卻系統的其它參數決定。

更有效的導熱路徑可以獲得更高的Tw,以及冷卻液更佳的對流冷卻。對於液體冷卻來說,無論採用什麼散熱片,h值都將比較小。那麼很明顯,在任何指定的Tw下,表面積A將主要確定液體冷卻散熱片的效果。

本文小結

為了給HEV或PEV電機驅動功率模組提供最佳的冷卻解決方案,首先需要確保模組結構以及材料、散熱片牆具有最高的導熱率。採用散熱片作為功率模組基板的設計,其表現的性能將遠遠高於栓接的散熱片。

其次,使散熱片與冷卻液的接觸面積最大,同時讓液體流的壓力降低在一個合理的範圍。因此,選擇一個具有大表面積以及‘平整’的散熱片。粗糙的或有角的散熱片會加大壓力降,迫使採用高功率和高成本的泵。通常,最佳的結構是圓形或卵形針翅陣列。

HEV或PEV功率模組冷卻的最佳選擇是那些用銅製成的,具有大的表面積和壓力降低小的散熱片來替代模組的基板。這種結構可以實現性能、重量、尺寸、可靠性和成本的最佳結合。

在作比較時,記住要考慮散熱片的所有參數。高性能銅散熱片作為功率模組基板,由於其卓越的性能,大多數情況下可以直接包含在汽車引擎冷卻迴路中。對於發動機驅動電路來說,這種結構節省了專用冷卻迴路(幫浦、管道和水箱等)的成本,並減少了尺寸和重量。

作者:Paul Hoffman

CEO

Amulaire公司




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