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(jī)控制器散熱器的熱分析申傳有,黃愷,李興全,王重陽(遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院,遼寧錦州121001)摘要:功率器件的散熱對整個電子設(shè)備的性能有著直接的影響,散熱器是解決電子設(shè)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(shè)計提供更完善的設(shè)計參數(shù)和方法。此分析已經(jīng)應(yīng)用于某公司的實際生產(chǎn)中,相關(guān)產(chǎn)品已投放市場關(guān)鍵詞:控制器; ICEPAK;散熱器中圖分類號:TM301文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)40年代末半導(dǎo)體器件面世以來,電大的電子器件,該電機(jī)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)入一個新臺階,這其中集成電路包含的電子器件也在1電動汽車電機(jī)控制器急劇的增加,最多時一個集成電路包含了250000無刷直流電機(jī)具有高扭矩、尺寸緊湊、可靠性個電子元器件,這種組裝的高密度化使得組件和高等優(yōu)點(diǎn),已在各個領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。設(shè)備的熱流密度迅速增加,從而引起的電子設(shè)備的目前國內(nèi)生產(chǎn)的電動車所用的無刷直流電機(jī)控制熱失效也在不斷的加劇。電動汽車電機(jī)控制器用到器工作方式通常為三相六步,本文所應(yīng)用的控制器的功率管是 MOSFET管,它是整個設(shè)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(簡稱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(shù)如表1和Q6均為9個 MOSFET管并聯(lián)使用)。 MOSFET表1IRFS4010-7P特性參數(shù)工作方式為兩兩導(dǎo)通,導(dǎo)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出通過上橋脈寬調(diào)制(ePWM)來實現(xiàn),PWM頻率設(shè)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通損耗,上管關(guān)斷損耗,上管通態(tài)損耗。2.1.1上管開通損耗利用示波器測出 MOSFET管的開通時間to(如圖3),功率損耗計算結(jié)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管在控制器的實際應(yīng)用中,最大輸出功率在給定條件下,很大程度上受到系統(tǒng)熱設(shè)計的限制,所以合理的計算 MOSFET管損耗是散熱器能達(dá)到最佳設(shè)計效果的前提。功率 MOSFET管在工作中要不斷的關(guān)斷和導(dǎo)通所以存在著一些功率損耗。功率 MOSFET管的損耗主要包括開通損耗關(guān)斷損耗、通態(tài)損耗、截止損耗(忽略不計)和驅(qū)圖3 MOSFET管開通時間動損耗(忽略不計)五大部分。采用 MOSFE管的2.12上管關(guān)斷損耗功率電子線路中,損耗通常是以熱量的形式散發(fā)出MOSFET管的關(guān)斷時間tom如圖4,計算結(jié)果來,所以要用散熱器把熱量從 MOSFET管芯片內(nèi)傳導(dǎo)到外部環(huán)境中。如果熱設(shè)計時對熱量的散發(fā)考慮的P(umo)=V(S)*礎(chǔ)+Fm≈V**T不到位,這些大功率電力電子器件將過熱并可能導(dǎo)600.0.8致?lián)p壞。29W控制器中 MOSFET管的功率損耗隨著電機(jī)負(fù)載的加大而增加,在爬坡時,控制器的 MOSFET損耗會急劇增加,為了分析方便,假設(shè)爬坡時A相上管工作在PWM模式下,B相下管一直導(dǎo)通,A相和B相的工作方式見圖1。圖4 MOSFET管關(guān)斷時間tr2.1.3上管通態(tài)損耗D-Pak 7 PinMOSFET管的導(dǎo)通時間t如圖5,計算結(jié)果如圖2IRFS40107P外形圖中國煤化工本文中的控制器系統(tǒng)應(yīng)用的 MOSFET管為國CNMHG申傳有等:基于 ICEPAK的電機(jī)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(tǒng)結(jié)構(gòu)形式等因素,設(shè)計出鋁制等截直肋散熱器(圖6),并在后續(xù)的 JICEPAK軟件其中,Rdωm.為 MOSFET管的導(dǎo)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公司開發(fā)了面向電子產(chǎn)品工程師的專業(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(nèi)部的優(yōu)勢,在短暫的幾年時間里, Icepak軟件的市場份額超過40%。本文中利用已經(jīng)算出的控制器的熱損耗來分圖5 MOSFET管的導(dǎo)通時間t析已經(jīng)設(shè)計好的散熱片是否是滿足散熱要求,此控22A相下管的續(xù)流損耗制器的要求是在電動車爬坡時,其電流達(dá)到最大值下管的續(xù)流是依靠二極管進(jìn)行的,所以計算結(jié)時保證 MOSFET管的溫度不超過85℃。果如下4.1模型的建立Pfws+=28013601.3=139.2W專業(yè)的電子熱分析 Icepak軟件中包含用戶仿真過程所用到的各種物理模型,包括傳熱模型和流其中,R為續(xù)流二極管的導(dǎo)通電阻,Ⅵ為續(xù)流二極動模型等,這些模型都有很高的可靠性和準(zhǔn)確性。管的導(dǎo)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(shè)備中的 MOSFET管并聯(lián)使用,因為B相下管一直導(dǎo)通,所以功率損耗計算如所以把并聯(lián)的9個功率管簡化為一個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,每個上管和下管分別都有9個 MOSFET管并聯(lián),所以模型中共有6個熱源。這控制器的 MOSFET管的總損耗為6個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)開口。因為散熱器要在自然空氣冷卻的條件3散熱器的設(shè)計下散熱,所以在 cabinet四周開有5個 openIng散熱器的設(shè)計要綜合考慮所配合對象的結(jié)構(gòu)要求、散熱效率和加工工藝。根據(jù)熱分析可知散熱器的肋片在厚度減小時散熱效果會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,要想使熱阻減小那應(yīng)該減小肋片之間的間距,然而間距過小會增加風(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(jié)構(gòu)化的連續(xù)網(wǎng)格和不連續(xù)網(wǎng)格,肋片高度并不是越高越好,當(dāng)高度增加到一定高度結(jié)構(gòu)化的連續(xù)網(wǎng)格和不連續(xù)網(wǎng)格,以及四面體網(wǎng)后,則導(dǎo)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(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別是:33810,37488。劃分網(wǎng)格后的模型如圖85 ICEPAK計算結(jié)果和實際測試結(jié)果圖6散熱器截面圖5.1 ICEPAKYH中國煤化工本文根據(jù)微型純電動汽車控制器的結(jié)構(gòu)要求通過以上CNMHG后,現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)主界面是分析的結(jié)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。在 ICEPAK開始計算的時候,同時一個新的窗口會出現(xiàn),它顯示計算的殘差(圖9),當(dāng)所有的曲線接近或者低于103的時候,可以直流無刷控制器上位機(jī)監(jiān)測界面認(rèn)為計算收斂了,并且計算結(jié)果趨于穩(wěn)定了。圖12監(jiān)控系統(tǒng)主界面本文是模擬電動車在爬坡時達(dá)到最大電流時算控制器的熱損耗,所以散熱器溫度也是在電流達(dá)到最大值時不斷的升高,通過上位機(jī)實際檢測散熱器的散熱。圖13是控制器的實際測試環(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,圖15是對應(yīng)控制器爬坡時的電流變化情況圖9殘差曲線從圖13和圖14可以看出在電動車爬坡電流達(dá)(2)背板溫度分布。從圖10可以看出背板的最到最大值時,實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(jié)果非常接近位置圖10散熱器背板溫度分布圖13實際測試環(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遇到旁邊熱源散熱的阻礙,所以設(shè)計散熱片時要注意散熱片的基板中間的厚度。52散熱器散熱效果的實際測試結(jié)果本文在通過以上計算和熱仿真軟件模擬之后邊國國既圓畫圓:發(fā)黑級進(jìn)行了實際測試環(huán)境實驗。利用實習(xí)公司的電機(jī)控H圖1中國煤化工℃)制器監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)與控制器通訊的連接來監(jiān)測散CNMHG轉(zhuǎn)第106頁)遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第34卷參考文獻(xiàn)[]劉力,李明萬,賈糧棉.基于 ANSYS的有限元分析在工程中的應(yīng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有限元分析.山西建筑,2005,31(5):56-60[3]劉樹春,申屠留芳,張敬佩.機(jī)床橫梁設(shè)計中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用[J.機(jī)械工程與自動化,201,4(2):8[4]王石健,劉泓濱.基于 ANSYS的數(shù)控鏜銑床滑輪架結(jié)構(gòu)優(yōu)化J.制造業(yè)自動化,2010.32(10):125-1275]杜詩文.棒料高速剪切機(jī)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,圖8高速剪切機(jī)三維圖2009本文在CAD技術(shù)的輔助下完成了機(jī)架的傳統(tǒng)[6周炯光.鍛壓生產(chǎn)中電液錘技術(shù)的應(yīng)用J黑龍江交通設(shè)計,并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用 ANSYS有限元分析技術(shù)科技,2009,182(4):146-147對機(jī)架機(jī)體的受力和變形等性能指標(biāo)進(jìn)行了檢驗,[]張勝民.基于有限元軟件 ANSYS的結(jié)構(gòu)分析M.北京:確保了設(shè)備工作過程中機(jī)體的穩(wěn)定性并完成了該清華大學(xué)出版社,2003剪切設(shè)備的整體設(shè)計。整個設(shè)計過程中CAD技術(shù)⑧8]許春龍,李耀輝.基于夾緊狀態(tài)的棒料高速精密剪切機(jī)和有限元分析技術(shù)的應(yīng)用,極大地提高了設(shè)備設(shè)計理及實驗研究[J.熱加工藝,2009,38(11):30-33生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量責(zé)任編校:劉亞兵(上接第102頁)出,熱源的溫度低于85℃而且還有一定的溫度空間,說明散熱器在自然空氣冷卻的條件下能滿足散熱要求。此仿真分析結(jié)果已經(jīng)在實際的測試環(huán)境實驗中得到檢驗,而且相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)在山東某公司投放市場圖15控制器電流曲線參考文獻(xiàn)結(jié)論]邱成梯,蔣全興,電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M南京:東南大學(xué)出版社,2001:6-8綜上所述,對電機(jī)控制器散熱器進(jìn)行熱分析[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)M]北京:高等教時,許要用科學(xué)的計算方法對熱源的功率損耗進(jìn)行育出版社,2006:19922計算,以便準(zhǔn)確的確定熱損耗。利用計算出來的功阝3]李新.應(yīng)用 Icepak軟件對肋片散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[J.率損耗進(jìn)行散熱器的參數(shù)設(shè)計,最后利用 ICEPAK煤礦機(jī)械,2012,33(6:49-50.仿真軟件對電機(jī)控制器散熱器進(jìn)行的分析可以看責(zé)任編校:劉亞兵中國煤化工CNMHG