更高的熱效率、更小的電機驅(qū)動器尺寸的熱設(shè)計

更高的熱效率、更小的電機驅(qū)動器尺寸的熱設(shè)計下一代汽車，不管是混合動力、燃料電池還是內(nèi)燃機發(fā)動機，都將提供更高的燃油效率和更先進的車載娛樂系統(tǒng)，包括到計算機的連接、視頻播放機、導(dǎo)航系統(tǒng)和MP3播放器。然而，這些新增的電子系統(tǒng)將使汽車設(shè)計師和制造商面臨更多的挑戰(zhàn)。車內(nèi)的電子器件是越來越多，例如絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)/金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)模塊、功率IC或PIC、無源器件及電池等，它們散發(fā)出來的廢熱將嚴重影響傳統(tǒng)空氣/液體冷卻系統(tǒng)的功能，因為這些系統(tǒng)必須處理多個散布在整個汽車內(nèi)的高熱流量部件(圖1)。然而，Amulaire公司開發(fā)的創(chuàng)新型冷卻板技術(shù)可以滿足上述高熱效率和小尺寸要求，同時能充分發(fā)揮現(xiàn)有冷卻回路的優(yōu)勢。熱設(shè)計的再思考電子模塊和集成電路(IC)的體積在不斷縮小，功能卻越來越強大，所有這些器件都必須以一種高效可靠的方式進行散熱。這些熱解決方案必須具有獨創(chuàng)性才能滿足汽車制造商對縮小尺寸和減輕重量同時不犧牲性能的要求。顯然，靠一個50磅重的鋁散熱器和一個附屬吹風(fēng)機是行不通的。汽車設(shè)計師在液體冷卻方面已經(jīng)有許多年的經(jīng)驗了，他們并不害怕在同一個應(yīng)用中混合有電子器件和液體。挑戰(zhàn)在于找到一個方法能利用發(fā)動機倉內(nèi)現(xiàn)有的泵、水管和散熱器給新的電子器件散熱。而唯一可行的途徑是使用非常高效的冷卻板，因為你還必須考慮由于這種散熱引起的額外壓力下降(如果冷卻系統(tǒng)太過苛刻，那么也許需要使用獨立的熱回路來給電子電路散熱，但從成本上看這種做法是行不通的)。就拿混合動力汽車中典型的100kW驅(qū)動器為例。廢熱一般占2%，2,000W的熱量被散發(fā)。通常一塊鋁制冷卻板的經(jīng)驗參數(shù)是每1,000W熱量溫升30~40℃(具體取決于流速和冷卻板的設(shè)計)。由于典型的入口流動液體溫度約85~100℃，加上冷卻板30~40℃的溫升，需要冷卻的電子器件的殼溫和結(jié)點溫度可能超過130~140℃，這個溫度已經(jīng)超出了制造商的規(guī)范要求。

工程師們曾考慮使用微通道和噴射冷卻的方法來改善散熱效果，但這種方法會極大的增加回路內(nèi)的壓力下降。我們的目標是使用發(fā)動機倉內(nèi)的現(xiàn)有冷卻回路，這樣可以免除冗余管路、泵和散熱器帶來的額外費用。增加一個較好的冷卻板可以解決許多其它問題，同時能減少為電子器件做一個獨立的熱回路所帶來的成本（圖2）。Figure2.Die-castaluminumcoldplateonToyotaPriusinwhichfiveIGBTmodulesaremountecitooppositesidesofthewaterchanne-ls.傳統(tǒng)的鋁銅嵌入式管道技術(shù)的效率不足以滿足散除具有85~105℃入口溫度的2,000W熱量所需的熱要求。因為鋁的熱傳導(dǎo)系數(shù)約為200W/mK（鑄鋁約為160W/mK），銅為400W/mK，因此銅是更高熱流量應(yīng)用中的較好選擇。然而，銅比較昂貴，加工比較困難，而且比鋁重。因此在做冷卻板設(shè)計量必須將這些問題考慮進去，只在必要時使用銅。新方法Amulaire公司發(fā)現(xiàn)，高效的銅冷卻板允許熱工程師繼續(xù)使用發(fā)動機倉內(nèi)現(xiàn)有的熱回路，同時能夠更靈活地縮小電子驅(qū)動器或使它們的功能變得更強大。熱模型表明，在液體冷卻系統(tǒng)中，熱量不會向任何方向擴散超過幾個毫米。在熱源下直接使用銅散熱片可以使系統(tǒng)更高效地散熱。（當然，增加表面積和這些熱點下的湍流速度同樣可以提高冷卻板的效率）銅冷卻板的熱性能是現(xiàn)有鋁技術(shù)的許多倍。另外，大型鑄鋁冷卻板可以縮小到功率電子器件的尺寸大小，有某些情況下甚至可以成為模塊本身的組成部分。因為這些冷卻板比較高效，因此可以減少驅(qū)動器的尺寸，減小IGBT模塊的數(shù)量，或使用更小的IGBT,從而充分發(fā)揮冷卻板所具有的熱效率。在為汽車市場設(shè)計冷卻板時，另外一個考慮因素是高流速，它將影響柱子形狀。如果準備接進現(xiàn)有的冷卻環(huán)路，你不希望引入高限制性的解決方案吧。壓力下降是冷卻板性能的一個重要方面。圓形交叉排列的銅柱形散熱片在液體冷卻系統(tǒng)中可以提供非常高的效率，并且具有較低的壓力下降特性。因為圓形柱沒有銳利的邊緣，水在里面流動沒有阻力，同時交叉排列能夠通過分解每個柱子周圍形成的液體停滯邊界層來幫助熱量散發(fā)。在本文討論的汽車電子系統(tǒng)中，熱量傳遞是從熱點（如PIC）到銅基板，水則圍繞銅柱轉(zhuǎn)圈。因此，整個冷卻板都用銅來做并不能增加散熱的好處，冷卻板的覆蓋層不必用銅，可以是銅基板和鋁混合使用。然而，必須在回路中增加抑制劑以避免電偶腐蝕問題。你還可以在覆蓋層設(shè)計中采用復(fù)合材料。其它空間節(jié)省的設(shè)計包括雙面冷卻板，它能即時冷卻六個IGBT模塊（圖3）。這種設(shè)計非常適合剎車應(yīng)用中的再生系統(tǒng)。因為IGBT模塊通常并不是和司機剎車同時運行的，因此不會降低冷卻板的效率，從而可以實現(xiàn)緊湊的電子電機驅(qū)動器（圖4）。Figure3.CopperNan^Pintechnclogy.ThePower&xtripleCM600。。圖pistewithplastictubrsm-avedi.000WattswithaS℃riseaton-egallonperminute.

AEure4,Double-sidedconipositsdssignwithNanoPincoldplate.AJar陌即AEure4,Double-sidedconipositsdssignwithNanoPincoldplate.AJar陌即0arrcjrPlasticUsedas-TUB/toholdFluid用螺栓固定與一體化設(shè)計上述所有冷卻板的設(shè)計都是采用螺栓固定的方式（圖5），這意味著你可以從喜歡的供應(yīng)商處購買指定的IGBT,再增加一些熱接觸材料（TIM）（也有人稱為油脂）就全部搞定了。這種方法具有即插即用的優(yōu)點。Figure員Bolt-ondesign.Figure員Bolt-ondesign.ThermalgreaseAlhousingIcoldplate然而，這種技術(shù)的進一步集成是可行的，那些將pic直接安裝在基板頂部的早期采用者就是這樣做的。集成方案至少可以減少一層TIM和一層銅，從而減少整個解決方案的重量和成本（圖6）。它還能提高熱效率，讓設(shè)計師靈活地將驅(qū)動器縮得更小，從而設(shè)計出極具魯棒性、功能強大的解決方案，并且不會犧牲可用IGBT模塊的滿負載特性。

目前的技術(shù)已經(jīng)能將冷卻板集成進PIC。然而市場的實際情況是，許多PIC供應(yīng)商寧愿銷售更通用的不集成專門冷卻技術(shù)的模塊，將熱解決方案細節(jié)留給用戶考慮。另一方面，因為集成的柱狀散熱片基板的散熱好處非常大（圖7），而汽車領(lǐng)域的高性能需求代表了潛在的大批量，因此我們預(yù)測集成模塊最終將成為PIC供應(yīng)商產(chǎn)品的標配。AmulaireSolder.Silicon50IColdplate(baseplate,2rnmCoolantFigure7.IntegratingthecoldplateasabaseplateeliminatesAmulaireSolder.Silicon50IColdplate(baseplate,2rnmCoolantFigure7.Integratingthecoldplateasabaseplateeliminates58%ofthethermslresistsnc-a(chipjunctiontocoldplstejinherentinabclt-oridesign.CopperTCeramicVoBCCopperJ本文小結(jié)對新的冷卻技術(shù)的需求在不斷增長，只有盡可能多地消除熱阻才有意義。新一代汽車將具有越來越多的電氣設(shè)備和電子系統(tǒng)，它們的功率密度將由于多功能和多任務(wù)而不