基于ICEPAK的电机控制器散热器的热分析

第34卷第2期辽宁工业大学学报(自然科学版)Vol, 34. No. 22014年4月Journal of Liaoning University of Technology (Natural Science Edition)Apr.2014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)摘要:功率器件的散热对整个电子设备的性能有着直接的影响,散热器是解决电子设备散热的关键部件。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关键词:控制器; ICEPAK;散热器中图分类号:TM301文献标识码:A文章编号: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世纪40年代末半导体器件面世以来,电大的电子器件,该电机控制器利用自然空气冷却的子器件从小型化发展到微小型化最后向密集度更散热方法进行散热。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1电动汽车电机控制器急剧的增加,最多时一个集成电路包含了250000无刷直流电机具有高扭矩、尺寸紧凑、可靠性个电子元器件,这种组装的高密度化使得组件和高等优点,已在各个领域得到了非常广泛的应用。设备的热流密度迅速增加,从而引起的电子设备的目前国内生产的电动车所用的无刷直流电机控制热失效也在不断的加剧。电动汽车电机控制器用到器工作方式通常为三相六步,本文所应用的控制器的功率管是 MOSFET管,它是整个设备中发热量最功率级原理图如图1所示,其中Q1、Q2为A相的收稿日期:2013-09-1中国煤化工作者简介:申传有(1988-),男,山东日照人,硕士生。黄恺(1954-),男,上海人,教授,硕士CNMHG辽宁工业大学学报(自然科学版)第34卷上管和下管;Q3、Q4为B相的上管和下管;Q5际整流器公司(简称I)的RFS4010-7P,其外形Q6为C相的上管和下管(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5如图2,特性参数如表1和Q6均为9个 MOSFET管并联使用)。 MOSFET表1IRFS4010-7P特性参数工作方式为两两导通,导通顺序为Q1Q4→Q1Q6漏源击穿电压100VQ3Q6→Q3Q2→Q5Q2→Q5Q4→Q1Q4,控制器的输p 3.3 mQ2出通过上桥脉宽调制(ePWM)来实现,PWM频率设通态漏源电阻 Rpsomax 4.0m置为15kHz。漏极电流190A2.1A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上管开通损耗利用示波器测出 MOSFET管的开通时间to(如图3),功率损耗计算结果2:P(0r26001*72*一*一=36W966其中:V为电源电压,Ⅰ为控制器工作最大电流,T图1控制器功率级原理图为 MOSFET管的工作周期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,最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最佳设计效果的前提。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)和驱图3 MOSFET管开通时间动损耗(忽略不计)五大部分。采用 MOSFE管的2.12上管关断损耗功率电子线路中,损耗通常是以热量的形式散发出MOSFET管的关断时间tom如图4,计算结果来,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P(umo)=V(S)*础+Fm≈V**T不到位,这些大功率电力电子器件将过热并可能导600.0.8致损坏。29W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相的工作方式见图1。图4 MOSFET管关断时间tr2.1.3上管通态损耗D-Pak 7 PinMOSFET管的导通时间t如图5,计算结果如图2IRFS40107P外形图中国煤化工本文中的控制器系统应用的 MOSFET管为国CNMHG申传有等:基于 ICEPAK的电机控制器散热器的热分析P(On)=12*RmD。60903*004*=8.9W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(图6),并在后续的 JICEPAK软件其中,Rdωm.为 MOSFET管的导通电阻,D为占空比。仿真分析中对该散热器选用的合理性进行验证。4 ICEPAK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图5 MOSFET管的导通时间t析已经设计好的散热片是否是满足散热要求,此控22A相下管的续流损耗制器的要求是在电动车爬坡时,其电流达到最大值下管的续流是依靠二极管进行的,所以计算结时保证 MOSFET管的温度不超过85℃。果如下4.1模型的建立Pfws+=28013601.3=139.2W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,包括传热模型和流其中,R为续流二极管的导通电阻,Ⅵ为续流二极动模型等,这些模型都有很高的可靠性和准确性。管的导通压降本文中的模型中包含以下部分(如图7)A相 MOSFET管的总损耗为:(1)散热器。尺寸420mm×224mm×35mm,基P=P(umo)+ P(tum off)+P(on)+Pre21W板厚度5m,散热齿厚4m,间距1021m2.3B相下管功率损耗(2)热源。因为设备中的 MOSFET管并联使用,因为B相下管一直导通,所以功率损耗计算如所以把并联的9个功率管简化为一个彼此连接的热下源以方便分析,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。这控制器的 MOSFET管的总损耗为6个热源在控制器工作后发出的热量是2078.1W。P总=(P4+fB(on)*9=2078.1W(3)开口。因为散热器要在自然空气冷却的条件3散热器的设计下散热,所以在 cabinet四周开有5个 openIng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,反图7 ICEPAK模型而使散热器的散热起到相反的作用。通过增加散热4.2网格划分器的肋片高度可在一定程度上有效的增加散热面ICEPAK软件提供了方便的自动化网格生成积,因此也增大了散热器的散热量。但是等截直肋,器,其中包括非结构化的连续网格和不连续网格,肋片高度并不是越高越好,当高度增加到一定高度结构化的连续网格和不连续网格,以及四面体网后,则导致肋片的散热效率不升反降。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图85 ICEPAK计算结果和实际测试结果图6散热器截面图5.1 ICEPAKYH中国煤化工本文根据微型纯电动汽车控制器的结构要求通过以上CNMHG后,现在可辽宁工业大学学报(自然科学版)第34卷以利用 ICEPAK软件进行热仿真模拟分析了,以下热器的散热情况。图12是监控系统主界面是分析的结果。v vascas图11热源温度分布图8模型的网格划分(1)收敛曲线。在 ICEPAK开始计算的时候,同时一个新的窗口会出现,它显示计算的残差(图9),当所有的曲线接近或者低于103的时候,可以直流无刷控制器上位机监测界面认为计算收敛了,并且计算结果趋于稳定了。图12监控系统主界面本文是模拟电动车在爬坡时达到最大电流时算控制器的热损耗,所以散热器温度也是在电流达到最大值时不断的升高,通过上位机实际检测散热器的散热。图13是控制器的实际测试环境,图14是截取的控制器在爬坡之后的散热器的散热曲线,图15是对应控制器爬坡时的电流变化情况图9残差曲线从图13和图14可以看出在电动车爬坡电流达(2)背板温度分布。从图10可以看出背板的最到最大值时,实际的散热器的最高温度在80℃左高温度为80.95℃,而且温度的分布都集中在中间右,这和热仿真的结果非常接近位置图10散热器背板温度分布图13实际测试环境(3)热源温度分布。从图11可以看出中间的两个热源的温度最高,温度为81.4℃,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。52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边国国既圆画圆:发黑级进行了实际测试环境实验。利用实习公司的电机控H图1中国煤化工℃)制器监控系统实现与控制器通讯的连接来监测散CNMHG转第106页)辽宁工业大学学报(自然科学版)第34卷参考文献[]刘力,李明万,贾粮棉.基于 ANSYS的有限元分析在工程中的应用[J.黄石理工学院学报,2007,23(5):31-41[2]郝金伟,闫奕任,蒋懋.基于 ANSYS的结构优化设计有限元分析.山西建筑,2005,31(5):56-60[3]刘树春,申屠留芳,张敬佩.机床横梁设计中的结构优化技术的应用[J.机械工程与自动化,201,4(2):8[4]王石健,刘泓滨.基于 ANSYS的数控镗铣床滑轮架结构优化J.制造业自动化,2010.32(10):125-1275]杜诗文.棒料高速剪切机[M].北京:冶金工业出版社,图8高速剪切机三维图2009本文在CAD技术的辅助下完成了机架的传统[6周炯光.锻压生产中电液锤技术的应用J黑龙江交通设计,并在此基础上应用 ANSYS有限元分析技术科技,2009,182(4):146-147对机架机体的受力和变形等性能指标进行了检验,[]张胜民.基于有限元软件 ANSYS的结构分析M.北京:确保了设备工作过程中机体的稳定性并完成了该清华大学出版社,2003剪切设备的整体设计。整个设计过程中CAD技术⑧8]许春龙,李耀辉.基于夹紧状态的棒料高速精密剪切机和有限元分析技术的应用,极大地提高了设备设计理及实验研究[J.热加工艺,2009,38(11):30-33生产效率和产品质量责任编校:刘亚兵(上接第102页)出,热源的温度低于85℃而且还有一定的温度空间,说明散热器在自然空气冷却的条件下能满足散热要求。此仿真分析结果已经在实际的测试环境实验中得到检验,而且相关产品已经在山东某公司投放市场图15控制器电流曲线参考文献结论]邱成梯,蒋全兴,电子设备结构设计原理[M南京:东南大学出版社,2001:6-8综上所述,对电机控制器散热器进行热分析[2]康华光.电子技术基础(模拟部分)M]北京:高等教时,许要用科学的计算方法对热源的功率损耗进行育出版社,2006:19922计算,以便准确的确定热损耗。利用计算出来的功阝3]李新.应用 Icepak软件对肋片散热器进行优化设计[J.率损耗进行散热器的参数设计,最后利用 ICEPAK煤矿机械,2012,33(6:49-50.仿真软件对电机控制器散热器进行的分析可以看责任编校:刘亚兵中国煤化工CNMHG