摘要：在汽車(chē)電控設(shè)備設(shè)計(jì)中，電子器件是設(shè)備中的關(guān)鍵器件，電子器件散熱設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性.文章介紹了一種車(chē)用電控設(shè)備中50w散熱器的設(shè)計(jì)，并從使用角度介紹了散熱器的熱導(dǎo)分析及散熱器設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性.

　　0引言

　　近年來(lái)，電子技術(shù)在汽車(chē)，特別是新能源汽車(chē)上得到了廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展.同時(shí)，人們對(duì)汽車(chē)功能要求的不斷增多，使得汽車(chē)電器設(shè)備的集成度也越來(lái)越高，汽車(chē)電器設(shè)備的功能集成化.大功率.小型化是汽車(chē)電子未來(lái)的發(fā)展方向.

　　隨著電子產(chǎn)品輕薄小型化.高性能化.IC器件高集成化的發(fā)展，電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量使內(nèi)部溫度迅速上升，如果不及時(shí)將該熱量散發(fā)，設(shè)備會(huì)繼續(xù)升溫，器件就會(huì)因過(guò)熱而失效，電子設(shè)備的可靠性將下降，甚至造成芯片被瞬間擊穿而損壞.因此對(duì)電子產(chǎn)品的散熱能力提出了更改的要求，同時(shí)推動(dòng)了電子產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高.

　　1熱量產(chǎn)生及散熱器熱傳導(dǎo)分析

　　電子器件作為汽車(chē)電控設(shè)備系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，既要使汽車(chē)電控設(shè)備的性能滿(mǎn)足整車(chē)要求，也要保證汽車(chē)電控設(shè)備具有足夠的安全性和可靠性.對(duì)于在現(xiàn)有技術(shù)下提供的汽車(chē)電控設(shè)備，為了達(dá)到更高的能量密度與功率密度，功率驅(qū)動(dòng)單元模塊大多通過(guò)多個(gè)功率單管間的串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成，這樣功率模塊的輸出電壓或輸出電流將大大提高，以滿(mǎn)足對(duì)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)要求.在工作過(guò)程中，汽車(chē)電設(shè)備的功率驅(qū)動(dòng)PCB總成是熱量產(chǎn)生的主要來(lái)源.

　　熱量傳導(dǎo)過(guò)程分析：功率器件表面貼裝在電路層，器件所產(chǎn)生的熱量通過(guò)絕緣層傳導(dǎo)到金屬基層，然后由金屬基板擴(kuò)展到模塊外部，與外界環(huán)境實(shí)現(xiàn)熱交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的散熱，如圖l所示.

　　金屬基板采用何種金屬，主要取決于熱膨脹系數(shù).熱傳導(dǎo)能力.強(qiáng)度.硬度.重量.表面狀態(tài)和成本.金屬基板基本都采用了鋁板.

　　鋁材散熱器是使用鋁合金材料通過(guò)擠壓成型，為增大單位體積的散熱面積，成型后的散熱器上呈現(xiàn)波紋齒，這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了散熱器的散熱能力.有效減小了功率模塊和散熱器之間的導(dǎo)熱內(nèi)阻，能夠快速把功率模塊上的熱量導(dǎo)出，及時(shí)為功率模塊冷卻；為了補(bǔ)充機(jī)械加工中的缺陷，在散熱器平面上涂覆一層100 u m的導(dǎo)熱膏填充散熱器和功率模塊之間接合時(shí)的細(xì)小空間，這要求在加工過(guò)程中對(duì)功率器件的安裝面進(jìn)行表面機(jī)械加工處理，并保證具有一定的平面度.粗糙度.總之，散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).表面處理和導(dǎo)熱輔料的涂覆，為功率模塊創(chuàng)造了良好的外部散熱環(huán)境，可以保證功率模塊的可靠與穩(wěn)定地運(yùn)行，延長(zhǎng)了功率模塊的工作壽命.

　　2散熱器設(shè)計(jì)

　　散熱片通過(guò)對(duì)流和輻射散熱，其中對(duì)流散熱占主導(dǎo).參考鰭片形狀（如圖2和表1所示）設(shè)計(jì)資料，對(duì)主要尺寸進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：

　?。?）根據(jù)控制器的安裝位置，短風(fēng)道風(fēng)阻小.盡可能增加散熱表面積，同時(shí)選擇鰭片平行于散熱底板短邊.

　?。?）鰭片之間的間隔.由于BSG控制器安裝位置空氣流速隨不同工況變化較大，且有時(shí)會(huì)工作在空氣流速接近為0的工況下，為保證在較低風(fēng)速下散熱底板能有效散熱，要求鰭片間有足夠的間距.但過(guò)大的鰭片間距會(huì)造成鰭片數(shù)目的減小而減小散熱片面積，從而減小散熱片的散熱能力.在散熱片壁面會(huì)因?yàn)楸砻娴臏囟茸兓a(chǎn)生自然對(duì)流，造成壁面的空氣層流，空氣層的厚度約為2mm,鰭片間隔應(yīng)在4mm以上才能確保自然對(duì)流順利.此時(shí)散熱底板齒間距為8mm左右.

　　（3）鰭片厚度.控制器工作在起動(dòng)狀態(tài)時(shí)，功率管的瞬態(tài)電流較大，因此控制器有較大的瞬態(tài)熱沖擊，要求散熱底板鰭片有足夠的厚度.當(dāng)鰭片的形狀固定，厚度及高度的平衡變得很重要，特別是鰭片過(guò)厚而高度不夠時(shí)，會(huì)造成前端傳熱的困難，使得散熱片即使體積增加也無(wú)法增加效率.散熱片過(guò)薄而高度變短時(shí)，增加了表面積但會(huì)使散熱片的體積減小而造成散熱能力下降.根據(jù)參考值，鰭片厚度設(shè)計(jì)為4mm,拔模角為3

　?。?）由于功率管在控制器散熱底板上不是完全均布，為保證有效散熱，在功率管較為集中的地方盡量多分布散熱鰭片.

　　（5）根據(jù)對(duì)流換熱的基本公式知，盡可能增加散熱底板的散熱表面積，可以有效增加散熱底板的散熱能力，可以通過(guò)在鰭片表面增加波紋齒的情況下有效增加散熱底板的散熱表面積.但考慮到熱傳導(dǎo)和風(fēng)阻的影響，波紋齒的深度不超過(guò)0.5mm為宜.

　　綜合考慮以上情況并結(jié)合PCB驅(qū)動(dòng)板及控制器整體形狀，散熱底板設(shè)計(jì)如圖3所示.

　　3散熱器熱仿真與試驗(yàn)分析

　　3.1仿真結(jié)果

　　對(duì)設(shè)計(jì)的散熱器，按如下條件進(jìn)行CAE建模仿真：

　　按總熱耗功率80W,將熱耗功率平均分布在散熱器上進(jìn)行仿真，每次仿真熱監(jiān)控點(diǎn)：2個(gè)（PCB板.散熱器中心位置各一個(gè)），當(dāng)散熱器中心位置的溫度變化在30min不超多l(xiāng)℃時(shí)，認(rèn)為散熱器達(dá)到熱平衡，仿真結(jié)束.通過(guò)仿真結(jié)果如表2:

　　3.2試驗(yàn)結(jié)果

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得在80W,55W,30W的功率下，散熱器中心平衡溫度的溫升分別約為73℃.54℃.27℃，PCB板中心溫度的溫升分別約為72℃.55℃.37℃如圖4.

　　4結(jié)論

　　通過(guò)比較仿真與測(cè)試實(shí)驗(yàn)的溫升數(shù)據(jù)比較，它們的溫升差異不大，且在無(wú)風(fēng)的狀態(tài)下溫升不超過(guò)90℃.

　　同時(shí)，考慮到控制器的安裝位置.環(huán)境溫度.工況因素等，可知散熱器中心溫度達(dá)到110℃左右屬于很正常的情況，而此時(shí)功率管外殼溫度起碼有120℃，離它的工作極限溫度160℃（此時(shí)漏極電流會(huì)顯著減?。┻€有一定適當(dāng)距離，因此散熱器設(shè)計(jì)是比較合理的.