基于ICEPAK的电机控制器散热器的热分析

　　基于ICEPAK的电机控制器散热器的热分析申传有，黄恺，李兴全，王重阳（辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁锦州121001）本文基于ICEPAK模拟环境，对散热器在自然空气冷却条件下的散热性能进行了分析，为以后的散热器设计提供更完善的设计参数和方法。此分析已经应用于某公司的实际生产中，相关产品已投放市场。

　　黄恺（1954-），男，上海人，教授，硕士。

　　自19世纪40年代末半导体器件面世以来，电子器件从小型化发展到微小型化后向密集度更高的集成技术不断发展，使集成电路的发展也进入一个新台阶，这其中集成电路包含的电子器件也在急剧的增加，多时一个集成电路包含了250000个电子元器件，这种组装的高密度化使得组件和设备的热流密度迅速增加，从而引起的电子设备的热失效也在不断的加剧。电动汽车电机控制器用到的功率管是MOSFET管，它是整个设备中发热量大的电子器件，该电机控制器利用自然空气冷却的散热方法进行散热。

　　1电动汽车电机控制器无刷直流电机具有高扭矩、尺寸紧凑、可靠性高等优点，已在各个领域得到了非常广泛的应用。目前国内生产的电动车所用的无刷直流电机控制器工作方式通常为三相六步，本文所应用的控制器功率级原理图如所示，其中Q1、Q2为A相的际整流器公司（简称IR）的IRFS4010-7P，其外形如，特性参数如表1.名称符号参数漏源击穿电压VDSS100V通态漏源电阻typ MOSFET管开通时间tn2.1.2上管关断损耗MOSFET管的关断时间W如，计算结果：上管和下管；Q3、Q4为B相的上管和下管；Q5、Q6为C相的上管和下管（Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6均为9个MOSFET管并联使用）。MOSFET工作方式为两两导通，导通顺序为Q1Q4―Q1Q6―Q3Q6―Q3Q2―Q5Q2―Q5Q4―Q1Q4，控制器的输出通过上桥脉宽调制（PWM）来实现，PWM频率设置为15kHz. 2控制器功率损耗的计算功率MOSFET管在控制器的实际应用中，大输出功率在给定条件下，很大程度上受到系统热设计的限制，所以合理的计算MOSFET管损耗是散热器能达到佳设计效果的前提。功率MOSFET管在工作中要不断的关断和导通所以存在着一些功率损耗。功率MOSFET管的损耗主要包括开通损耗、关断损耗、通态损耗、截止损耗（忽略不计）和驱动损耗（忽略不计）五大部分。采用MOSFET管的功率电子线路中，损耗通常是以热量的形式散发出来，所以要用散热器把热量从MOSFET管芯片内传导到外部环境中。如果热设计时对热量的散发考虑的不到位，这些大功率电力电子器件将过热并可能导致损坏。

　　控制器中MOSFET管的功率损耗随着电机负载的加大而增加，在爬坡时，控制器的MOSFET损耗会急剧增加，为了分析方便，假设爬坡时A相上管工作在PWM模式下，B相下管一直导通，A相和B相的工作方式见。

　　2.1A相上管功率损耗A相上管的功率损耗包括上管开通损耗，上管关断损耗，上管通态损耗。

　　2.1.1上管开通损耗），功率损耗计算结果：其中：Vs为电源电压，I为控制器工作大电流，r为MOSFET管的工作周期。

　　MOSFET管关断时间tf2.1.3上管通态损耗MOSFET管的导通时间t如，计算结果如下：本文中的控制器系统应用的MOSFET管为国其中，为MOSFET管的导通电阻，D为占空比。

　　MOSFET管的导通时间to A相下管的续流损耗下管的续流是依靠二极管进行的，所以计算结果如下：其中，Rd为续流二极管的导通电阻，VT为续流二极管的导通压降。

　　B相下管功率损耗因为B相下管一直导通，所以功率损耗计算如下：控制器的MOSFET管的总损耗为：3散热器的设计散热器的设计要综合考虑所配合对象的结构要求、散热效率和加工工艺。根据热分析可知散热器的肋片在厚度减小时散热效果会有一定的增加，但是肋片的厚度越薄使加工难度也在增大。在保证散热器外形尺寸不变时，要想使热阻减小那应该减小肋片之间的间距，然而间距过小会增加风阻，反而使散热器的散热起到相反的作用。通过增加散热器的肋片高度可在一定程度上有效的增加散热面积，因此也增大了散热器的散热量。但是等截直肋，肋片高度并不是越高越好，当高度增加到一定高度后，则导致肋片的散热效率不升反降。

　　散热器截面图本文根据微型纯电动汽车控制器的结构要求和散热器的散热系统结构形式等因素，设计出铝制等截直肋散热器，并在后续的ICEPAK软件仿真分析中对该散热器选用的合理性进行验证。

　　4ICEPAK热分析1996年FLUENT公司开发了面向电子产品工程师的专业热分析仿真软件Icepak，它利用FLUENT软件的求解器，利用自身软件内部的优势，在短暂的几年时间里，Icepak软件的市场份额超过40.本文中利用已经算出的控制器的热损耗来分析已经设计好的散热片是否是满足散热要求，此控制器的要求是在电动车爬坡时，其电流达到大值时保证MOSFET管的温度不超过85°C. 4.1模型的建立专业的电子热分析Icepak软件中包含用户仿真过程所用到的各种物理模型，包括传热模型和流动模型等，这些模型都有很高的可靠性和准确性。

　　本文中的模型中包含以下部分（如）。

　　板厚度5mm，散热齿厚4mm，间距10.21mm.热源。因为设备中的MOSFET管并联使用，所以把并联的9个功率管简化为一个彼此连接的热源以方便分析，此控制器中共有A，B，C三相，每相分别有上管和下管，每个上管和下管分别都有9个MOSFET管并联，所以模型中共有6个热源。这6个热源在控制器工作后发出的热量是2078.1W.开口。因为散热器要在自然空气冷却的条件下散热，所以在cabinet四周开有5个opening. ICEPAK模型4.2网格划分ICEPAK软件提供了方便的自动化网格生成器，其中包括非结构化的连续网格和不连续网格，结构化的连续网格和不连续网格，以及四面体网格。本文模型进行网格划分之后，单元数和节点数分别是：33810，37488.划分网格后的模型如。

　　5ICEPAK计算结果和实际测试结果5.1ICEPAK计算结果通过以上的建模和网格划分完成之后，现在可以利用ICEPAK软件进行热仿真模拟分析了，以下热器的散热情况。2是监控系统主界面。

　　是分析的结果。

　　1热源温度分布4散热器散热曲线（室温25C）模型的网格划分同时一个新的窗口会出现，它显示计算的残差，当所有的曲线接近或者低于10-3的时候，可以认为计算收敛了，并且计算结果趋于稳定了。

　　残差曲线背板温度分布。从0可以看出背板的高温度为80.95°C，而且温度的分布都集中在中间位置。

　　0散热器背板温度分布热源温度分布。从1可以看出中间的两个热源的温度高，温度为81.4C，因为中间的热源向两边散热时遇到旁边热源散热的阻碍，所以设计散热片时要注意散热片的基板中间的厚度。

　　5.2散热器散热效果的实际测试结果本文在通过以上计算和热仿真软件模拟之后进行了实际测试环境实验。利用实习公司的电机控制器监控系统实现与控制器通讯的连接来监测散2监控系统主界面本文是模拟电动车在爬坡时达到大电流时计算控制器的热损耗，所以散热器温度也是在电流达到大值时不断的升高，通过上位机实际检测散热器的散热。3是控制器的实际测试环境，4是截取的控制器在爬坡之后的散热器的散热曲线，5是对应控制器爬坡时的电流变化情况。

　　从3和4可以看出在电动车爬坡电流达到大值时，实际的散热器的高温度在80C左右，这和热仿真的结果非常接近。

　　3实际测试环境高速剪切机三维图本文在CAD技术的辅助下完成了机架的传统设计，并在此基础上应用ANSYS有限元分析技术对机架机体的受力和变形等性能指标进行了检验，确保了设备工作过程中机体的稳定性并完成了该剪切设备的整体设计。整个设计过程中CAD技术和有限元分析技术的应用，极大地提高了设备设计生产效率和产品质量。

　　（上接第102页）5控制器电流曲线6结论综上所述，对电机控制器散热器进行热分析时，许要用科学的计算方法对热源的功率损耗进行计算，以便准确的确定热损耗。利用计算出来的功率损耗进行散热器的参数设计，后利用ICEPAK仿真软件对电机控制器散热器进行的分析可以看