datasheet

为发动机驱动电路冷却选择恰当的散热片

2008-05-09来源: 中华电子网 关键字:散热片  液体冷却  IGBT模块  可制造性  发动机驱动  功率模块  基板  电路  冷却

  混合动力汽车(HEV)或充电电动汽车(PEV)通常使用电机驱动功率模块,例如IGBT模块,这些模块会产生非常大的热量,通常大约为1,000W到2,000W。冷却这些汽车电子功率模块的唯一有效方法是水冷,而不是风冷,因为水的热传导率是空气的20倍。水还具有很高的热量(吸收能量的能力),是空气的4倍。

  在大多数的汽车应用中,功率模块都具有这样的热挑战。事实上,有专门的独立冷却循环来对其进行冷却。散热片用来将功率模块的热量传导到冷却液,成为冷却循环的重要部分。那么,如何选择最佳的液体冷却散热片呢?要做出这个选择需要在多种考虑因素之间进行权衡,例如热性能、重量、成本、可靠性和可制造性。让我们看看IGBT芯片产生的热量是如何通过冷却液传导。

  改善导热性能

  首先,热必须通过直接敷铜(DBC)底层转移出来,然后经过模块基板(base plate),再通过热油脂,再进入到栓接的散热片(见图1)。这部分的热量转移完全是通过热传导来实现的。

  为改善传导热转移,你要么选择具有最高的导热系数(k)的材料,要么降低层厚度,或者减少热源与冷却液之间的层数。例如,氮化铝陶瓷(k=160W/mK)用作DBC基底材料,相比于氧化铝来说(k = 25到 35 W/mK)是一种不错的选择。相对于铝(k = 220 W/mK)或者铝硅炭化物(AlSiC) (k = 170 - 180 W/mK)来说,铜(k = 390 W/mK)材料是用于模块基底更好的选择。简言之,如果不选择非常昂贵的材料,你所选则的材料的导热性能不会超过铜。

  可以简化散热片材料的选择,实际上就是在铝、AlSiC和铜之间选择。铝很轻而且便宜,但是导热性能一般,而且很重要的是,没有合适的制造方法来获得高的表面积。铝铸模不能获得高的密度,而且容易产生孔隙,会导致冷却液的泄漏。铝还具有比较高的热膨涨系数(CTE ~ 23 ppm/C),因此不适合用作功率模块基板材料。

  AlSiC很轻,但是很昂贵,被加工用来降低CTE以接近IC材料,通常做成9 - 12 ppm/C之间。而且,AlSiC的铸造工艺难以实现更大的冷却表面。而且铸模磨损很快,导致更换铸模的成本开销。最后,材料的导热率相对比较差,大约为k=170w/mK。因为这些原因,AlSiC从来没有用作栓接冷却片材料,在实际中,只有在需要非常高的可靠性的时候,才选择AlSiC作为基板材料。

  铜具有很高的导热率、可接受的成本,以及最重要的是,可以利用先进的成模技术形成带有非常密集针翅(pin fin)形状的散热片(例如Amulaire Nanopins)。铜铸模能达到的针翅密度可以实现超过铝或AlSiC散热片3倍到5倍的散热表面积。尽管铜的CTE比较高(17 ppm/C),但是仍然成功地应用在高可靠性汽车应用中,作为功率模块的基板/散热片,其制造工艺是基于铜基板设计的。

  

  

  图1:冷却系统的组成示意图。

  设计实践

  优化功率模块冷却的一个选择是用散热片替代功率模块基板。这有效地去掉了组装中的两个层(原来的基板和导热油脂),大大地改善了从芯片到散热片墙的热传导。

  一旦热量转移到散热片墙,冷却液对散热片的冷却就取决于对流热传导。基本的对流热传导等式为:

  q = h A (Tw - Tf)

  其中q为传导的热量,单位为瓦,h是对流热传导系数,A为散热片与冷却液接触的表面积,Tw是散热片墙的温度,Tf为流动液体的温度。

  如前面所述,Tw的大小决定于从IGBT芯片经过功率模块器件传导到散热片墙的热量,Tf由冷却系统的其它参数决定。

  更有效的导热路径可以获得更高的Tw,以及冷却液更佳的对流冷却。对于液体冷却来说,无论采用什么散热片,h值都将比较小。那么很明显,在任何指定的Tw下,表面积A将主要确定液体冷却散热片的效果。

  本文小结

  为了给HEV或PEV电机驱动功率模块提供最佳的冷却解决方案,首先需要确保模块结构以及材料、散热片墙具有最高的导热率。采用散热片作为功率模块基板的设计,其表现的性能将远远高于栓接的散热片。

  其次,使散热片与冷却液的接触面积最大,同时让液体流的压力降低在一个合理的范围。因此,选择一个具有大表面积以及“平整”的散热片。粗糙的或有角的散热片会加大压力降,迫使采用高功率和高成本的泵。通常,最佳的结构是圆形或卵形针翅阵列。

  HEV或PEV功率模块冷却的最佳选择是那些用铜制成的,具有大的表面积和压力降低小的散热片来替代模块的基板。这种结构可以实现性能、重量、尺寸、可靠性和成本的最佳结合。

  在作比较时,记住要考虑散热片的所有参数。高性能铜散热片作为功率模块基板,由于其卓越的性能,大多数情况下可以直接包含在汽车引擎冷却环路中。对于发动机驱动电路来说,这种结构节省了专用冷却环路(泵、管道和水箱等)的成本,并减小了尺寸和重量。

 

关键字:散热片  液体冷却  IGBT模块  可制造性  发动机驱动  功率模块  基板  电路  冷却

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2008/0509/article_871.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:利用μC/GUI实现无纸记录仪界面
下一篇:基于行为的智能吸尘机器人设计

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

探寻PS4的设计思路:如何实现电源转换效率超过90%?

。可以感受到(SCE的)设计人员对最大限度实现冷却性能的执着”。翅片的数量合计为50片。  根据流速变更翅片间隔  PS4根据从冷却翅片流过的空气速度(流速),改变了冷却翅片的间隔。通过在流速慢的区域缩窄翅片间隔,在流速快的区域扩大翅片间隔,提高了冷却效果。(CG:SCE)  再次,热管数量由PS3的一根增加到了两根。为扩散主处理器的热量,在散热片的底板内使用了一根热管。估计是为了扩散主处理器的热量而设置的。另一根热管从底板延伸到翅片上,应该是为了向翅片高效导热。  采用伺服控制  冷却扇与PS3相比也有很多变更点。首先改变了风扇尺寸。例如,把口径缩小到了85mm。冷却扇的形状也变成了从侧面看为梯形的形状。这是从PS4开始采用的形状,目的
发表于 2014-09-23

大功率LED灯珠特性及技术参数分析

LED封装产品里的一种,是让半导体照明走向普通照明领域里最重要的一环。  大功率LED产品应用注意事项  大功率LED产品及器件在应用过程中,散热、静电防护、焊接对其特性有着很大影响,需要引起应用端客户的高度重视。  一、大功率LED产品的散热:  由于目前半导体发光二极管晶片技术的限制,LED的光电转换效率还有待提高,尤其是大功率LED,因其功率较高,大约有60%以上的电能将变成热能释放(随着半导体技术的发展,光电转换效率会逐渐提高),这就要求终端客户在应用大功率LED产品的时候,要做好散热工作,以确保大功率LED产品正常工作。  1.散热片要求  外型与材质:如果成品密封要求不高,可与外界空气环境直接发生对流,建议采用带鳍片的铝材
发表于 2014-05-27

为发动机驱动电路冷却选择恰当的散热片

、散热片墙具有最高的导热率。采用散热片作为功率模块基板的设计,其表现的性能将远远高于栓接的散热片。 其次,使散热片与冷却液的接触面积最大,同时让液体流的压力降低在一个合理的范围。因此,选择一个具有大表面积以及“平整”的散热片。粗糙的或有角的散热片会加大压力降,迫使采用高功率和高成本的泵。通常,最佳的结构是圆形或卵形针翅阵列。 HEV或PEV功率模块冷却的最佳选择是那些用铜制成的,具有大的表面积和压力降低小的散热片来替代模块的基板。这种结构可以实现性能、重量、尺寸、可靠性和成本的最佳结合。 在作比较时,记住要考虑散热片的所有参数。高性能铜散热片作为功率模块基板,由于其卓越的性能,大多数情况下可以直接包含在汽车引擎冷却环路中。对于发动机
发表于 2013-05-16
为发动机驱动电路冷却选择恰当的散热片

如何设计更小更高效的AC/DC电源

。本文将要讨论的是常见的100W-200W的AC/DC电源设计,其中着重强调的是结合各种方案来设计外形最小成本最低的电源,并实现最高的效率和应用灵活性。         我们首先谈一谈设计的几个主要目标。首先,电源必须越小越好,以给系统的其它功能留出更多的空间。第二,电源的功效要越高越好。在实际中,电源并不是最耗能的,而是微处理器,但是电源仍然需要进一步提高功效,因为功效越高,所需的散热片就越小,这样才能进一步节省系统空间。对于100W-200W的电源来说,要实现90%的功效是不太现实的。高功率的电源功效每提高1%,热量就能降低10%,电源所需的冷却程度也会产生
发表于 2012-05-31
如何设计更小更高效的AC/DC电源

LED灯泡有散热片会更好吗

与白炽灯泡相比,LED灯泡可大幅降低耗电。随着价格下降及亮度提高,最近LED灯泡已走进人们的日常生活。尤其是发生东日本大震灾之后,作为“节电”手段购买LED灯泡的人越来越多。   从家电商场等销售的日本厂商制造的LED灯泡(E26灯口产品)来看,采用无散热片的简洁设计的产品在逐渐增加。而且,灯光配光角扩大至白炽灯泡同等水平的产品今后也有望增加。   而韩国、中国大陆及台湾厂商制造的LED灯泡却以采用大且重铝压铸散热片的产品为主流。最近,笔者有幸拆解了这些海外企业制造的LED灯泡,与日本厂商(东芝照明)制造的产品进行了比较。下面就来简单介绍一下。   当初笔者曾认为日本制造的简洁式LED灯泡是想通过省去散热片来降低成本
发表于 2011-12-28

三重防护:一个沿海平台的不间断电源系统解决方案

太阳能发电站来供给电能。平行地安装了一个电池供电的紧急输电网。除了供电设备之外,R. STAHL为不间断电源系统解决方案从它的模块化配套元件中装配了更多的能量分布组件。   极好的天气, 恶劣的环境除了偶尔发生的爆燃性空气(例如区域1),热带气候和海洋空气必须加以考虑。平台上的温度经常超过35摄氏度,有时会达到50摄氏度的峰值。在这样的温度环境下,不间断电源电池充电器的工作过程会产生大量的功率损耗,需要一些特殊的措施。为了防止热度过高,R. STAHL在最大可用的双向性硅钢片机箱中安装了蓄x电池充电器,具有的一些特殊功能确保了散热:通过一项专利冷却台技术,热量是直接从保护性外壳上疏散。散热片被连接到机箱的侧面,为方便在维修过程中安心使用
发表于 2011-11-27
三重防护:一个沿海平台的不间断电源系统解决方案

小广播

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2018 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved
pt type="text/javascript" src="//v3.jiathis.com/code/jia.js?uid=2113614" charset="utf-8">