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电动汽车集成功率控制单元集中了若干电子元器件，在提高集成度的同时带来了严峻的热量集中问题。本文针对电动汽车集成功率控制单元中的散热问题进行了一些分析和散热设计。
本文为电子学硕士论文，主要对电动汽车集成功率控制单元热损耗和散热进行的理论分析、计算和仿真进行研究。
第1章 绪 论
1.1 课题背景
自从德国人 Benz 发明第一辆现代意义上的汽车，美国人 Ford 引入流水线式的现代生产方式之后，汽车工业进入了快速发展的道路。如今传统汽车工业的相关技术越来越完善，化石能源汽车越来越普及。但是随着现在能源危机和环境危机的产生，人们对新能源的需求和低碳的渴望越发急迫，传统的汽车工业向新型的电动汽车行业转型势在必行。电动汽车不同于原有的化石能源动力的汽车，有很多新的技术挑战。电动汽车相比于传统燃油汽车最显著的特征就是以纯电力为驱动，前者内部的电子器件的散热问题更加突出。如果产生的热量不能够及时高效地散出，热堆积效应就可能导致电子设备损坏。相关研究表明，电子产品因为节点温度超过允许值而引起不能正常工作的比例高达 55% [1,2]。随着温度的提高，电子部件的失效率呈快速增长的趋势，本课题着眼于电动汽车集成功率控制单元的热分析与散热的研究。
1.2 研究的目的和意义
当前纯电动汽车中大功率电力电子部件众多，但因为它们的系统集成度低、可靠性差而不能相互协调稳定工作。现在将驱动电机控制器、车载充电器、DC/DC（直流转直流）和电动空调等以电力电子变换电路为核心的电气设备集中布置，形成集成功率控制单元（PCU，Power Control Unit），统一设计系统的电路结构、驱动单元、控制单元、散热系统等。把各个子系统集成在一起不仅可以节省材料，而且可以减小占用空间[3]。并且集成功率控制单元具有新型的电路拓扑结构，集成度高，可靠性高，成本低。 由于集成功率控制器功率等级的上升和集成度的提高，绝缘栅双极型晶体管（IGBT ，Insulated Gate Bipolar Transistor）等功率元件的体积发热热通量增大的趋势非常迅猛。尽管现在功率半导体能量转换效率已经很高了，但是高效的冷却系统设计仍然是十分必要的。例如在一个输入为 100KW 的逆变器中，即使在其效率达到了 97%之高时，仍然有 3KW 的热损耗会产生[3]。 IGBT 等功率元件对于热负荷敏感度非常高，热量在功率元件处的累积将导致元器件和系统的温度迅速升高，严重影响 IGBT 的工作状态和系统的稳定。一旦超出了 IGBT 所允许的温度上限，则会导致 IGBT 烧坏，整个系统将会崩溃，这将给电动汽车带来十分恶劣的后果。因此，为了确保 PCU 工作时的稳定性和可靠性，对集成控制单元进行热分析和散热研究十分有必要。 冷却系统在 PCU 的设计中具有重要的意义。为了获得和传统汽车一样的甚至更强的动力输出，现代集成 PCU 功率等级越来越高，这样也就附带产生了更多的热量，然而采用传统空气冷却方法为大功率动力装置冷却是十分困难的。为了确保集成 PCU 工作稳定，可靠，必须使用更高效的冷却系统，将其产生的热量散出，消除热量在功率元件中的积累，可有效防止过高的温度损毁元器件。因此为了保障集成功率控制单元稳定地工作，对其进行热损耗分析和散热研究是十分重要的。
1.3 国内外研究现状
对电动汽车的研究已经有一百多年的历史，但是因为各种制约因素一直没有得到大众消费者的认可[4]。随着当代能源危机和对环境问题的关注，世界各国争相发布发展电动汽车产业的相关政策，以便在未来掌握电动汽车的核心技术，取得世界电动汽车工业领先的地位。但是电动汽车输出动力小，续航里程短，充电时间长等问题依然存在[5]，各个汽车公司和研究机构都在大力投入开发新技术来攻克这些问题。相关技术日新月异，电动汽车的未来就要到来。
1.3.1 国外研究现状
西方发达国家和日本等国一直是汽车工业强国，他们在电动汽车领域起步也较早，先后推出了混合动力汽车和纯电动汽车。具有代表性的尼桑 Leaf 电动汽车，是目前为止销量最大的纯电动汽车。美国硅谷新兴的明星企业——特斯拉电动汽车公司，其主打高端市场的 Tesla Roadster 敞篷电动车和 MODEL S 型号的高级运动型电动汽车为公司在 2013 年首次实现了盈利[6]。国外相关企业的迅速发展，开拓了电动汽车的新市场，同时也带动了电动汽车集成技术的更新迭代加速，促进了相关技术的快速发展，使他们走在了世界前列。 目前，国外电动汽车功率电子器件高度集成是趋势[8-10]。许多研究机构和汽车公司把功率电子器件集中布置在一个中心控制器里面，分布在汽车的各个部位，以节省空间。不过也带来了增加额外保护外壳的成本，安装空间狭小，结构复杂，在小型家庭乘用车中不太适用。为了克服这些问题，又提出了系统集成的概念[3]。不同于仅仅对功率器件的集成，更注重于对于无源电器元件的集成设计，比如直流母线电容，电磁滤波器等，是体积更小，结构更加紧凑。 由于电力电子等相关集成技术日新月异，相关装置设计和维护的成本大大降低，从而使其应用的范围越来越广泛。但是电力电子的高度集成，致使设备内部的高热密度问题十分突出。设备的散热问题愈来愈受到工程师的广泛关注，进而有人认为设备的散热问题已经成为电力电子产品集成技术进一步发展的瓶颈[11]。对设备进行有效的热控制十分必要，对此人们已经发展出了很多有效的方法。目前，这些方法主要包括：散热器散热、水冷板散热、热界面材料冷却、空调降温、热管换热、珀耳帖效应致冷和涡旋管冷却器 [12]等。 随着传热学的发展，如今使用比较频繁的散热冷却技术集中在被动的自然风冷技术和主动的强迫风冷技术、液体冷却技术以及一些新型冷却技术。自然冷却散热主要是通过热传导、对流和辐射等方式将电子器件产生的热量发散到四周媒介中去，从而达到冷却降温的目的。这种方法可靠性高，成本低，但是一般只能使用在热损耗值小于 0.08W/cm2的电子产品中[3]。强迫风冷技术使用风扇来产生强制空气对流来散发热量的，其散热能力一般可达到 1.0W/cm2[12]。
第2章 集成功率模块热模型的建立
2.1 引言
当集成功率单元集中了电动汽车大部分的功率控制部件后，带来了热量的分布更加集中。必须找出主要散热的元器件，并分析其散热量的大小范围，根据散热量进行相应的散热冷却研究。本章节通过对集成功率关键散热器件——IGBT 进行封装结构的分析，并计算其在一定运行情况下的功耗值。
2.2 集成功率控制单元简介
和传统汽车相比较，电动汽车内部电力电子设备众多，同时电动汽车内部空间的限制，小型化和系统集成化是电动汽车发展的趋势[3]。当前电动汽车中大功率电力系统集成度低、可靠性不高。集成功率控制单元将要解决的问题就是电气器件分布分散，运行不稳地的问题。它将驱动电机控制器、车载充电器、DC/DC（直流变直流）转换器、电动空调等以电力电子变换电路为核心的电气设备集中布置在一个压铸铝合金箱体里，形成集成功率控制单元（PCU），统一设计系统电路结构、驱动单元、控制单元、散热系统等。
2.3 IGBT 模块封装结构
2.3.1 IGBT 芯片结构和连接方式
集成功率控制单元最主要的发热部分是 IGBT 模块，要分析 IGBT 模块的温度场和设计散热结构，必须对其封装结构必须要有一定的了解。IGBT 是一种在各个领域被大量使用的半导体元器件，主要应用领域包括：电力驱动车辆、铁路机车及动车组等。IGBT 主要是对交流电电动机进行输出控制。传统的双极性结型晶体管（BJT，Bipolar Junction Transistor）是一种经常被使用的三极管，它的导通电阻比较小，但是驱动电流比较大。金属氧化物半导体场效应管（MOSFET， Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）也叫做金氧半场效晶体管，它的导通电阻比较大，却有着驱动电流小的特点。IGBT 是一种吸收了场效晶体管栅极和双极性晶体管两者的长处的新型复合晶体管。
第 3 章 小功率集成模块 S 型流道散热分析........ 17
3.1 引言 ........ 17
3.2 IGBT 模块热损耗计算 ......... 17
3.3 热阻法计算模块的温升 .......... 20
3.4 矩形流道散热仿真分析 ....... 24
3.5 不同流道仿真比较 ....... 34
3.6 本章小结....... 36
第 4 章 大功率集成模块翅针结构散热分析 ........ 37
4.1 引言 ............ 37
4.2 大功率器件散热模型 ........... 37
4.3 翅针结构散热仿真分析 ......... 41
4.4 仿真结果对比验证 ........... 44
4.5 翅针参数影响因素分析 ........ 45
结 论
电动汽车是未来发展的一个趋势，为了提高整车系统的稳定性，促进产业的发展，提高系统集成度是一个可行的思路。电动汽车集成功率控制单元集中了若干电子元器件，在提高集成度的同时带来了严峻的热量集中问题。因此散热问题是电动汽车需要重点考虑的并需要解决的问题。本文针对电动汽车集成功率控制单元中的散热问题进行了一些分析和散热设计。
参考文献
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[2] 陈洁茹，朱敏波，齐颖. Icepak 在电子设备热设计中的应用[J]. 电子机械工程，2005，21(1)： 13-46.
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[10] Kolar J W, Drofenik U, Biela J, et al. PWM converter power density barriers[C]//Power Conversion Conference-Nagoya, 2007. PCC'07. IEEE, 2007：9- 29.
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