基于ICEPAK的電機控制器散熱器的熱分析

第34卷第2期遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol, 34. No. 22014年4月Journal of Liaoning University of Technology (Natural Science Edition)Apr.2014基于 ICEPAK的電機控制器散熱器的熱分析申傳有,黃愷,李興全,王重陽(yáng)(遼寧工業(yè)大學(xué)機械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧錦州121001)摘要:功率器件的散熱對整個(gè)電子設備的性能有著(zhù)直接的影響,散熱器是解決電子設備散熱的關(guān)鍵部件。本文基于 ICEPAK模擬環(huán)境,對散熱器在自然空氣冷卻條件下的散熱性能進(jìn)行了分析,為以后的散熱器設計提供更完善的設計參數和方法。此分析已經(jīng)應用于某公司的實(shí)際生產(chǎn)中,相關(guān)產(chǎn)品已投放市場(chǎng)關(guān)鍵詞:控制器; ICEPAK;散熱器中圖分類(lèi)號:TM301文獻標識碼:A文章編號:16743261(2014)020099-04Motor Controller Radiator Thermal analysisBased on IcePaKShEN Chuan-you, HUANG KaL, LI xing-quan, WANG Chong-yangMechanical Engineering &Automation College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, ChinaAbstract: Power device cooling has a direct impact on the performance of the whole electronicequipment. The radiator is the key component to solve the cooling of electronic equipment. The analysisis based on the simulated environment of ICEPAK, using the method of natural air cooling to analyzethe radiator cooling performance so as to meet the cooling requirements. This study provides better heatsinks design parameters and methods for future design. And, such analysis has been applied to acompanys actual production. The products being concerned and in relation have been put on themarketKey words: controller; ICEPAK; radiator自19世紀40年代末半導體器件面世以來(lái),電大的電子器件,該電機控制器利用自然空氣冷卻的子器件從小型化發(fā)展到微小型化最后向密集度更散熱方法進(jìn)行散熱。高的集成技術(shù)不斷發(fā)展,使集成電路的發(fā)展也進(jìn)入一個(gè)新臺階,這其中集成電路包含的電子器件也在1電動(dòng)汽車(chē)電機控制器急劇的增加,最多時(shí)一個(gè)集成電路包含了250000無(wú)刷直流電機具有高扭矩、尺寸緊湊、可靠性個(gè)電子元器件,這種組裝的高密度化使得組件和高等優(yōu)點(diǎn),已在各個(gè)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應用。設備的熱流密度迅速增加,從而引起的電子設備的目前國內生產(chǎn)的電動(dòng)車(chē)所用的無(wú)刷直流電機控制熱失效也在不斷的加劇。電動(dòng)汽車(chē)電機控制器用到器工作方式通常為三相六步,本文所應用的控制器的功率管是 MOSFET管,它是整個(gè)設備中發(fā)熱量最功率級原理圖如圖1所示,其中Q1、Q2為A相的收稿日期:2013-09-1中國煤化工作者簡(jiǎn)介:申傳有(1988-),男,山東日照人,碩士生。黃愷(1954-),男,上海人,教授,碩士CNMHG遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第34卷上管和下管;Q3、Q4為B相的上管和下管;Q5際整流器公司(簡(jiǎn)稱(chēng)I)的RFS4010-7P,其外形Q6為C相的上管和下管(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5如圖2,特性參數如表1和Q6均為9個(gè) MOSFET管并聯(lián)使用)。 MOSFET表1IRFS4010-7P特性參數工作方式為兩兩導通,導通順序為Q1Q4→Q1Q6漏源擊穿電壓100VQ3Q6→Q3Q2→Q5Q2→Q5Q4→Q1Q4,控制器的輸p 3.3 mQ2出通過(guò)上橋脈寬調制(ePWM)來(lái)實(shí)現,PWM頻率設通態(tài)漏源電阻 Rpsomax 4.0m置為15kHz。漏極電流190A2.1A相上管功率損耗A相上管的功率損耗包括上管開(kāi)通損耗,上管關(guān)斷損耗,上管通態(tài)損耗。2.1.1上管開(kāi)通損耗利用示波器測出 MOSFET管的開(kāi)通時(shí)間to(如圖3),功率損耗計算結果2:P(0r26001*72*一*一=36W966其中:V為電源電壓,Ⅰ為控制器工作最大電流,T圖1控制器功率級原理圖為 MOSFET管的工作周期2控制器功率損耗的計算功率 MOSFET管在控制器的實(shí)際應用中,最大輸出功率在給定條件下,很大程度上受到系統熱設計的限制,所以合理的計算 MOSFET管損耗是散熱器能達到最佳設計效果的前提。功率 MOSFET管在工作中要不斷的關(guān)斷和導通所以存在著(zhù)一些功率損耗。功率 MOSFET管的損耗主要包括開(kāi)通損耗關(guān)斷損耗、通態(tài)損耗、截止損耗(忽略不計)和驅圖3 MOSFET管開(kāi)通時(shí)間動(dòng)損耗(忽略不計)五大部分。采用 MOSFE管的2.12上管關(guān)斷損耗功率電子線(xiàn)路中,損耗通常是以熱量的形式散發(fā)出MOSFET管的關(guān)斷時(shí)間tom如圖4,計算結果來(lái),所以要用散熱器把熱量從 MOSFET管芯片內傳導到外部環(huán)境中。如果熱設計時(shí)對熱量的散發(fā)考慮的P(umo)=V(S)*礎+Fm≈V**T不到位,這些大功率電力電子器件將過(guò)熱并可能導600.0.8致?lián)p壞。29W控制器中 MOSFET管的功率損耗隨著(zhù)電機負載的加大而增加,在爬坡時(shí),控制器的 MOSFET損耗會(huì )急劇增加,為了分析方便,假設爬坡時(shí)A相上管工作在PWM模式下,B相下管一直導通,A相和B相的工作方式見(jiàn)圖1。圖4 MOSFET管關(guān)斷時(shí)間tr2.1.3上管通態(tài)損耗D-Pak 7 PinMOSFET管的導通時(shí)間t如圖5,計算結果如圖2IRFS40107P外形圖中國煤化工本文中的控制器系統應用的 MOSFET管為國CNMHG申傳有等:基于 ICEPAK的電機控制器散熱器的熱分析P(On)=12*RmD。60903*004*=8.9W和散熱器的散熱系統結構形式等因素,設計出鋁制等截直肋散熱器(圖6),并在后續的 JICEPAK軟件其中,Rdωm.為 MOSFET管的導通電阻,D為占空比。仿真分析中對該散熱器選用的合理性進(jìn)行驗證。4 ICEPAK熱分析1996年 FLUENT公司開(kāi)發(fā)了面向電子產(chǎn)品工程師的專(zhuān)業(yè)熱分析仿真軟件 Icepak,它利用 FLUENT軟件的求解器,利用自身軟件內部的優(yōu)勢,在短暫的幾年時(shí)間里, Icepak軟件的市場(chǎng)份額超過(guò)40%。本文中利用已經(jīng)算出的控制器的熱損耗來(lái)分圖5 MOSFET管的導通時(shí)間t析已經(jīng)設計好的散熱片是否是滿(mǎn)足散熱要求,此控22A相下管的續流損耗制器的要求是在電動(dòng)車(chē)爬坡時(shí),其電流達到最大值下管的續流是依靠二極管進(jìn)行的,所以計算結時(shí)保證 MOSFET管的溫度不超過(guò)85℃。果如下4.1模型的建立Pfws+=28013601.3=139.2W專(zhuān)業(yè)的電子熱分析 Icepak軟件中包含用戶(hù)仿真過(guò)程所用到的各種物理模型,包括傳熱模型和流其中,R為續流二極管的導通電阻,Ⅵ為續流二極動(dòng)模型等,這些模型都有很高的可靠性和準確性。管的導通壓降本文中的模型中包含以下部分(如圖7)A相 MOSFET管的總損耗為:(1)散熱器。尺寸420mm×224mm×35mm,基P=P(umo)+ P(tum off)+P(on)+Pre21W板厚度5m,散熱齒厚4m,間距1021m2.3B相下管功率損耗(2)熱源。因為設備中的 MOSFET管并聯(lián)使用,因為B相下管一直導通,所以功率損耗計算如所以把并聯(lián)的9個(gè)功率管簡(jiǎn)化為一個(gè)彼此連接的熱下源以方便分析,此控制器中共有A,B,C三相,每60PR(on)=1'Rds(on)9*0.004=17.8W相分別有上管和下管,每個(gè)上管和下管分別都有9個(gè) MOSFET管并聯(lián),所以模型中共有6個(gè)熱源。這控制器的 MOSFET管的總損耗為6個(gè)熱源在控制器工作后發(fā)出的熱量是2078.1W。P總=(P4+fB(on)*9=2078.1W(3)開(kāi)口。因為散熱器要在自然空氣冷卻的條件3散熱器的設計下散熱,所以在 cabinet四周開(kāi)有5個(gè) openIng散熱器的設計要綜合考慮所配合對象的結構要求、散熱效率和加工工藝。根據熱分析可知散熱器的肋片在厚度減小時(shí)散熱效果會(huì )有一定的增加但是肋片的厚度越薄使加工難度也在增大。在保證散熱器外形尺寸不變時(shí),要想使熱阻減小那應該減小肋片之間的間距,然而間距過(guò)小會(huì )增加風(fēng)阻,反圖7 ICEPAK模型而使散熱器的散熱起到相反的作用。通過(guò)增加散熱4.2網(wǎng)格劃分器的肋片高度可在一定程度上有效的增加散熱面ICEPAK軟件提供了方便的自動(dòng)化網(wǎng)格生成積,因此也增大了散熱器的散熱量。但是等截直肋,器,其中包括非結構化的連續網(wǎng)格和不連續網(wǎng)格,肋片高度并不是越高越好,當高度增加到一定高度結構化的連續網(wǎng)格和不連續網(wǎng)格,以及四面體網(wǎng)后,則導致肋片的散熱效率不升反降。格。本文模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分之后,單元數和節點(diǎn)數分別是:33810,37488。劃分網(wǎng)格后的模型如圖85 ICEPAK計算結果和實(shí)際測試結果圖6散熱器截面圖5.1 ICEPAKYH中國煤化工本文根據微型純電動(dòng)汽車(chē)控制器的結構要求通過(guò)以上CNMHG后,現在可遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第34卷以利用 ICEPAK軟件進(jìn)行熱仿真模擬分析了,以下熱器的散熱情況。圖12是監控系統主界面是分析的結果。v vascas圖11熱源溫度分布圖8模型的網(wǎng)格劃分(1)收斂曲線(xiàn)。在 ICEPAK開(kāi)始計算的時(shí)候,同時(shí)一個(gè)新的窗口會(huì )出現,它顯示計算的殘差(圖9),當所有的曲線(xiàn)接近或者低于103的時(shí)候,可以直流無(wú)刷控制器上位機監測界面認為計算收斂了,并且計算結果趨于穩定了。圖12監控系統主界面本文是模擬電動(dòng)車(chē)在爬坡時(shí)達到最大電流時(shí)算控制器的熱損耗,所以散熱器溫度也是在電流達到最大值時(shí)不斷的升高,通過(guò)上位機實(shí)際檢測散熱器的散熱。圖13是控制器的實(shí)際測試環(huán)境,圖14是截取的控制器在爬坡之后的散熱器的散熱曲線(xiàn),圖15是對應控制器爬坡時(shí)的電流變化情況圖9殘差曲線(xiàn)從圖13和圖14可以看出在電動(dòng)車(chē)爬坡電流達(2)背板溫度分布。從圖10可以看出背板的最到最大值時(shí),實(shí)際的散熱器的最高溫度在80℃左高溫度為80.95℃,而且溫度的分布都集中在中間右,這和熱仿真的結果非常接近位置圖10散熱器背板溫度分布圖13實(shí)際測試環(huán)境(3)熱源溫度分布。從圖11可以看出中間的兩個(gè)熱源的溫度最高,溫度為81.4℃,因為中間的熱源向兩邊散熱時(shí)遇到旁邊熱源散熱的阻礙,所以設計散熱片時(shí)要注意散熱片的基板中間的厚度。52散熱器散熱效果的實(shí)際測試結果本文在通過(guò)以上計算和熱仿真軟件模擬之后邊國國既圓畫(huà)圓:發(fā)黑級進(jìn)行了實(shí)際測試環(huán)境實(shí)驗。利用實(shí)習公司的電機控H圖1中國煤化工℃)制器監控系統實(shí)現與控制器通訊的連接來(lái)監測散CNMHG轉第106頁(yè))遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第34卷參考文獻[]劉力,李明萬(wàn),賈糧棉.基于 ANSYS的有限元分析在工程中的應用[J.黃石理工學(xué)院學(xué)報,2007,23(5):31-41[2]郝金偉,閆奕任,蔣懋.基于 ANSYS的結構優(yōu)化設計有限元分析.山西建筑,2005,31(5):56-60[3]劉樹(shù)春,申屠留芳,張敬佩.機床橫梁設計中的結構優(yōu)化技術(shù)的應用[J.機械工程與自動(dòng)化,201,4(2):8[4]王石健,劉泓濱.基于 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