2012款Nissan聆风逆变器热管理系统
图1 2012款Nissan逆变器
今天从高中毕业到现在第一次发热，黄总说，写篇文章就好了，于是跑到楼下买点药，吃点药爬起来写了这篇篇，本身不准备写的，直接休息，明天就要托黄总的吉言了，文章我已经整理出来了。
以后文章中，我会推荐一些自己看过的书给大家，不喜欢的可以直接略过，或者如果对大家阅读有障碍，可以私聊我，关于电动汽车方面的书，我基本上翻遍了京东和当当，也买了一些，还没细看，只是大致翻了一下。
如图1所示2012款Nissan逆变器。该系统由三个电源模块组成，它们安装在铸铝冷板和相关的电子元件(如电容器、电路板和互连线)上。该冷板集成到逆变器外壳中，重量约为5公斤(不包括顶部或底部逆变器盖板)。该冷板通过一系列蛇形翅片通道对WEG循环冷却电力电子模块。图3为聆风功率模块的计算机辅助设计(CAD)效果图。电源模块由三个绝缘栅双极晶体管(IGBT)-二极管对每个开关位置组成。如图3所示的横断面视图提供了电源模块层和接口的详细视图。与大多数电源模块不同，聆风功率模块没有使用金属陶瓷基板(例如，直接键合铜基板)进行电气隔离。相反，聆风功率模块包含一个安装在电源模块和冷板之间的绝缘垫，用于电气隔离，如图2所示。热接口材料(TIM)应用于绝缘垫的两侧，以减少热接触电阻。
图2 水道和绝缘垫图示
图3 CAD效果图
测量连接到功率模块的冷却剂的阻力。测试时，逆变器连接到WEG流量测试台。在65℃的入口温度下，试验台将WEG(按体积计50%/50%的水和乙二醇)，以不同的流速通过逆变器冷板循环。试验重复进行以确保结果的重复性。采用瞬态热测试系统(T3ster)对IGBT功率模块进行了功率/热量测试和温度测试。总共提供了50A电流来驱动一个IGBT(大约55 W的热量)。在温控条件下进行温度校准，测量温度需要校准的电压降通过IGBT到测试台的温度。两个校准的k型热电偶被安装在电源模块上(放置在将要测试的IGBT附近)，用于获得温度与IGBT电压降的关系，同时通过设备提供1mA的感知电流。为IGBT施加10V电压。整个系统都采用了厚厚的隔热层，以减少对周围环境的热损失。
图4为不同WEG流量下实验测量的结冷比热阻值。比热阻计算公式如下。
其中Tj为平均结温，Tl为平均WEG温度，QTotal为通过IGBT耗散的总热量，AIGBT为IGBT的面积，为225 mm^2。注Tj和Tl上面有横杠，这里无法打出。
如图4的结果表明，改变流量对热阻值的影响最小。结果表明，在试验流量条件下，被动设备热阻明显大于对流热阻。在典型的汽车动力电子流量(~ 10Lpm)下，结冷比热阻约为79mm^2-K/W。
图4实验测量和模型预测的IGBT热阻值对比
如图5所示，使用CFD和FEA对功率器件热管理系统进行建模，以更好地理解逆变器内部的热传导情况。如表1所示列出了模型中使用的各种功率模块组件的属性，硅和铜的导热系数与温度有关。用美国国家可再生能源实验室的美国试验材料学会的TIM支架测量了绝缘垫的导热系数。其他组分的导热系数由相关文献得到。选取了铜钼合金、焊料、TIM等成分和部分材料的厚度，使模型结果与实验数据吻合较好。CFD计算的湿表面平均传热系数如表2所示，估算的传热系数值相对较低。
图5 CFD中10 Lpm流速下的冷却剂速度矢量
表1导热系数和厚度值用于聆风逆变器的热模型
表2 CFD预测聆风的平均传热系数值
将计算得到的传热系数值作为有限元模型的边界条件。FEA模型模拟了实验条件(通过一个IGBT耗散约55W)。图4给出了模型估计的最大(使用最大结温计算)和平均(使用平均结温计算)热阻值。结果表明，模型预测结果与实验数据吻合较好(模型与实验结果最大相差约6%)。然后使用该模型生成从IGBT到冷却剂的温度剖面，以确定系统中最大的热瓶颈。温度分布图如图6所示，温度剖面通过逆变器描绘了从IGBT到冷却剂的热路径。双介电层构成了一个重要的热阻电源模块。清晰地显示了被动设备提供了系统中最大的热瓶颈。在无源设备中，双介质的pad-TIM接口提供了最大的电阻。在EDT电力电子热管理研发项目中进行的分析表明，2012年聆风电源模块设计提供了较低的稳态热性能(即与更传统的电源模块配置(例如，包含金属陶瓷基板的电源模块)相比，具有更高的热阻。然而，与传统的电源模块设计相比，冷风电源模块设计具有成本优势和可靠性优势。此外，在某些瞬态条件下，冷风设计也具有一定的优越性。
图6温度分布图
如图7所示为实验测量的聆风的电机和功率器件换热器寄生功率与流量曲线。电机换热器由于其相对较大的冷却通道，提供了较低的压降。这些信息与热性能结果相结合，将用于计算包含系统效率的性能指标。
图7验测量的聆风的电机和功率器件换热器寄生功率与流量曲线
