电动摩托车控制器的散热性能分析

凌智勇，缪友谊，邢雷杰（江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013）

电动摩托车控制器的散热性能分析

凌智勇，缪友谊，邢雷杰
（江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013）

分析了电动摩托车控制器的主要热源金属——氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的功率损耗并进行了理论计算，根据控制器总散热热阻对控制器的散热底板进行热设计，运用CFD软件FloEFD对控制器整体的热设计进行数值分析，得出控制器的温度分布。针对控制器最大功率损耗下的散热性能，分析了散热底板上的不同散热翅片参数对控制器整体温度分布的影响。实验结果表明：针对控制热散热性能的仿真误差小于10%，验证了仿真的合理性，优化后的散热底板可以满足控制器的散热需求。

控制器；MOSFET；热设计；优化分析

随着新能源的发展，电动摩托车成为人们日常生活的重要交通工具。目前我国已成为全球最大的电动摩托车生产和消费国。电动摩托车通过电机控制器驱动直流无刷电机转动，电机控制器的核心部件之一就是用于实现电子换向功能的金属-氧化物半导体场效应晶体管（metaloxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）。MOSFET作为一种对温度比较敏感的半导体元器件，其性能受到温度的影响。研究表明，元器件的工作温度每升高10℃，系统可靠性将降低50%，超过55%的失效是由于温度过高引起的［1-2］。电机控制器的主要热量来源于MOSFET本身，必须对MOSFET以及控制器的散热性能进行分析［3，4］。

针对MOSFET功耗的确定和散热器的设计，国内外学者做了很多研究。王赋攀等［5］介绍了MOSFET功率损耗的组成和计算方法，指出合理的风冷散热能够提高散热性能。胡海拉等［6］建立了单个和耦合器件的热阻拓补模型用于确定MOSFET结点的温度，并用Icepak软件进行建模分析，取得了较好效果。王淑旺等［7］对电动车的控制器采用水冷方式，验证了设计的合理性。魏军等［8］研究了自然对流情况下PCB上不同功率的发热元件安装位置及连接形式。

1　控制器功耗计算

控制器PCB组件由逻辑区域和功率区域组成，其中功率区域的MOSFET用于控制A/B/C三相电流输出。如图1所示，控制器工作方式为三相六步。A/B/C三相各具有一个上管和下管MOSFET，依次排布为Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，导通顺序为Q1Q4→Q1Q6→Q3Q6→Q3Q2→Q5Q2→Q5Q4→Q1Q4。

图1　控制器MOSFET工作方式示意图

1.1MOSFET功率损耗计算

控制器功率损耗主要集中在功率区域的MOSFET上。取电机一个导通周期中A-B相导通过程进行分析：A相上管Q1根据PWM（pulse widthmodulation）信号同步导通或关断，A相下管Q2根据PWM反向信号同步导通或关断，B相上管Q3常闭，B相下管Q4常开。MOSFET的功率损耗包括开通损耗、关断损耗和导通损耗。

开通损耗：其中：VDS为漏源极之间的电压；ID为漏源极电流；ton为导通时间；toff为关断时间；fsw为工作频率；RDS（on）为MOSFET导通电阻；D为PWM信号占空比。

A-B相导通过程占整个电机工作周期的1/3，计算MOSFET功率损耗，得到的上、下管功耗分别为：

上管功耗

设计选取MOSFET型号为英飞凌IPP034-NE7N3G，其最大允许结点温度为175℃。采取晶体管最高结温III级降额应用，取145℃作为最大结点设计温度。MOSFET功率损耗随电机负载增大而增加，最大负载时MOSFET工作参数如下：VDS=48 V，ID=32.4 A，ton=237 ns，toff=405 ns，fsw=15.6 kHz，最大占空比D=0.9，MOSFET导通电阻RDS（on）受漏源极电流、栅源极电压以及结点温度的共同影响，取结点最大工作温度为145℃时RDS（on）=5.5 mΩ。计算得到的上管功耗为4.3 W，下管功耗为2.1 W。

1.2控制器其他元件功耗计算

控制器PCB组件还包括1个TO-220封装稳压芯片、4个电容以及贴片元件和连接器。贴片元件功率损耗和连接器接触阻抗产生的热损耗很微弱，作忽略处理。稳压芯片和电解质电容总功率为0.5W。

2　控制器散热结构设计

如图2所示，为了节约PCB空间以及成本，将6个MOSFET和1个稳压芯片伸出PCB外并且位于PCB同侧。在进行控制器的散热设计时根据功率损耗P以及结点温度与环境温度的温度差T确定总的热阻，并对总的热阻进行分配，以设计满足要求的散热器。

图2　控制器PCB结构示意图

2.1热阻计算

MOSFET通过散热器散热的热阻RJA=RJC+ RCS+RSA，其中：RJC为MOSFET结点到壳体的热阻；RCS为壳体到散热器的热阻；RSA为散热器到安装环境的热阻。

本控制器最高工作环境温度为40℃，控制器设计需要的MOSFET最大总热阻RJA=ΔT/P= 5.3℃/W，而MOSFET参数手册中，RJC=0.7℃/W，RJA=62℃/W，显然需要加装散热器进行强化散热。

MOSFET和稳压芯片并联耦合等效热阻RJC总=0.1℃/W。为了减小MOSFET金属基底和散热底板之间的接触热阻以及防止由于直接接触引起的短路，在MOSFET和散热底板之间放置一层Hi-Flow 300P绝缘热导界面材料（thermal interfacematerial，TIM）［9］。在压力为172 kPa时，等效接触热阻RCS总=0.2℃/W，则散热器的最大设计热阻RSA=RJA-RJC总-RCS总=5.0℃/W。

2.2散热器结构设计与计算

根据国标GB 7423.2—87选取散热器基板长度为123 mm的SRX05D型材散热器。散热器翅片垂直放置，自然对流状态下RSA=2.2℃/W，满足计算要求。但控制器安装在电动摩托车座位底部，其安装空间较小，控制器的高度不超过100 mm。

散热底板结构如图3所示。将翅片集成在基板厚度为3 mm、尺寸为108 mm×117 mm的散热底板上。由于散热底板采用铝合金压铸制成，翅片的尺寸受到铸造工艺以及强度的限制，故翅片最小厚度以及翅片间距均要大于3 mm，高度小于15 mm。选取翅片高度15 mm、间距9 mm、厚度3 mm的初始设计方案进行分析。

图3　散热底板结构示意图

3　CFD仿真及优化

较短的研发周期对产品性能评估提出挑战，采用仿真模拟可以在研发阶段提前了解产品性能，提出优化方案。本文采用CFD软件FloEFD对设计方案进行模拟。FloEFD直接嵌入Pro/E中，无需对产品模型进行修改即可进行分析仿真。

3.1三维建模及网格划分

在Pro/E中建立的控制器三维模型如图4所示，包括上盖、PCB组件、TIM材料和底板。对PCB上的无功率损耗元件做隐含处理，计算域为1 m×1 m×1 m的立方体。采用4级网格精度以及狭长通道细化对翅片处的网格进行细化处理。

图4　控制器三维模型

对散热器的自然对流换热过程作以下假设：①满足Boussinesq假设；②流体为不可压缩层流；③PCB板导热属性为均值、各项同性；④忽略热辐射影响。考虑固体内部热传导，在环境温度为23℃，压力为101.3 kPa时，各零件材料物理性能如表1所示。

表1　材料的物理性能

3.2针对原始方案的仿真验证

模拟最高环境温度为40℃、功率损耗最大时控制器的散热性能。控制器的温度云图如图5所示，可以看出MOSFET结点最高温度为134.2℃，小于目标值（145℃），此时散热底板平均温度为122.1℃。

图5　控制器温度云图

3.3底板参数优化分析

控制器的初始设计可以满足目标要求，但实际应用中散热器的成本与质量相关。在满足散热要求下，质量越小成本越低。因此，对底板的质量和散热性能进行分析。

固定初始设计的翅片间距和厚度参数，对翅片高度和质量进行研究。由于翅片高度受到最高不超过15 mm安装条件的限制，因此取翅片高度为0，3，6，9，12，15 mm，分别分析MOSFET结点的最高温度、散热底板的最高以及平均温度，结果如表2所示。从表2可以看出：翅片高度为3 mm时的MOSFET结点最高温度为143.9℃，基本满足设计要求；翅片高度每增加3 mm，MOSFET结点最高温度下降超过5℃，但相应的质量增加超过30 g。

表2　不同翅片高度下控制器温度

以翅片高度3 mm为固定值，对翅片间距进行分析，取间距为3，6，9，12，15 mm，对应的翅片数目为20，14，10，8，6个。表3为不同翅片数目下MOSFET结点的最高温度、散热底板的最高以及平均温度。从表3可以看出：随着翅片数目的增加，结点最高温度随之下降，当翅片数目超过10片时可以满足散热需求；与改变翅片高度相比，同等质量下，增加翅高其散热性能比增加翅片数目效果更好，可以优先考虑增加翅片高度，但增加翅片的数目对控制器的整体高度不会产生影响。考虑到控制器实际安装空间较小，为了减小控制器的体积，最终选取翅片高度3 mm、翅片数目20、间距3 mm作为最终优化结果。

3.4实验验证

如图6所示，在控制器散热底板设置测量点，对优化后的模型进行实验验证。由于MOSFET结点温度不能直接测量，故可以选取散热底板作为测量对象。取MOSFET安装位置附近的8个点和散热底板翅片处2个点作为测量点，在温度为40℃的恒温箱中进行测试，0.5 h后传感器测量点温度达到平衡状态。

表3　不同翅片数目下控制器温度

图6　控制器散热底板测量点分布

对模拟温度和测试温度的数据对比，结果如图7所示。

图7　不同测量点实验温度和模拟温度的对比

通过实验与模拟结果对比可以得出：散热底板实际测量温度低于模拟温度；实际测量的6个MOSFET温度较均衡，但温度分布趋势一致，最大误差小于10%。实验测量的散热底板的最高温度不高于125℃即可实现MOSFET结点温度不高于设计的145℃。

对某电动摩托车直流无刷电机控制器进行热设计，并利用数值模拟方法对控制器的整体热性能进行了分析，通过对底板参数优化，得出了适用于工程的优化模型。通过实验对优化后的模型进行验证，保证了控制器中的MOSFET能正常工作，提高了控制器的稳定性。

［1］李晓明，吕善伟，高泽溪.PCB及元件的温度场有限元分析［J］.北京航空航天大学学报，2000，26（1）：5-7.

［2］包明冬，马展，崔洪江，等.电力电子器件IGBT用水冷板式散热器热力性能的数值模拟［J］.内燃机车，2012（5）：1-5.

［3］Guofeng R，Feng T，Lin Y.The research of thermal design for vehicle controller based on simulation［J］.Applied Thermal Engineering，2013，58（1/2）：420-429.

［4］Mallik S，Ekere N，Best C，et al.Investigation of thermal management materials for automotive electronic control units［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31（2/3）：355-362.

［5］王赋攀，杨鹏.MOSFET功率开关器件的散热计算［J］.通信电源技术，2005，22（1）：31-33.

［6］胡海拉，王石刚，莫锦秋，等.基于热阻拓扑关系的高频电源金氧半场效晶体管的散热设计及仿真［J］.上海交通大学学报，2010，44（2）：180-184.

［7］王淑旺，赵卫健，唐志国，等.纯电动汽车水冷电机控制器的热仿真和热分析［J］.微特电机.2013，41（9）：11-13.

［8］魏超，刘召军，李增耀，等.极限热环境下大功率PCB散热改进研究［J］.工程热物理学报，2010，31（1）：100 -102.

［9］Otiaba K C，Ekere N N，Bhatti R S，et al.Thermal interface materials for automotive electronic control unit：Trends，technology and R&D challenges［J］.Microelectronics Reliability.2011，51（12）：2031-2043.

（责任编辑刘舸）

Thermal Dissipation Analysis of Electric M otorcycle Controller

LING Zhi-yong，MIAO You-yi，XING Lei-jie
（School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）

The power loss of themetal oxide semiconductor field effect transistor（MOSFET）in electricmotorcycle controller was calculated and analyzed.The controller thermal baseplate was designed according to the total thermal resistance，and the controller temperature distribution was simulated by the FloEFD.Based on the controller heat dissipation performance undermaximum power loss，the influence of the different thermal fin parameterson controller temperature distribution was analyzed.The experimental results verify the rationality of simulation，and the simulation deviation of controller thermal performance is less than 10%.The optimized baseplate can meet the thermal dissipation requirements of controller.

controller；MOSFET；thermal design；optimization analysis

TK124

A

1674-8425（2015）05-0001-05

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.05.001

2015-01-24

凌智勇（1957—），男，博士，教授，主要从事微纳米元器件研究。

凌智勇，缪友谊，邢雷杰.电动摩托车控制器的散热性能分析［J］.重庆理工大学学报：自然科学版，2015（5）：1-5.

format：LING Zhi-yong，MIAO You-yi，XING Lei-jie.Thermal Dissipation Analysis of Electric Motorcycle Controller［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（5）：1-5.