IGBT模块水冷结构对控制器结构设计的影响

      专门以车用驱动电机控制器为阐述对象的文章，鲜有见诸报端者。可能各家企业对自己的技术“敝帚自珍”，也可能结构设计过于简单，“乏善可陈”。所谓外行看热闹，内行看门道，在这里我将这几年的控制器结构设计经验与大家分享，希望能相互印证，同时能让更多的年轻行业从业者少走弯路，加快新能源汽车行业的健康发展。

      电机控制器（MCU）是新能源汽车特有的核心功率电子单元，通过接收整车控制器（VCU）的车辆行驶控制指令，控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶。实现把动力电池的直流电能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。同时，MCU具有电机系统故障诊断保护和存储功能。MCU由外壳及冷却系统、功率电子单元、控制电路、底层软件和控制算法软件组成，具体结构如下图所示。

      随着Pin-Fin整体封装直接冷却IGBT模块的出现，电机控制器结构出现了如下的进展。

• IGBT自身集成Pin-fin水冷散热结构，由传导散热发展成单面直接水冷，主壳体无需构造水道，降低了壳体的设计及制造难度；

• 定制的方形薄膜电容开始广泛应用，降低了直流铜排的设计难度，取消了电容支架，简化了装配流程，提高了生产效率；

• EMC防护设计水平开始提升，部分产品在直流母排输入端加入共模电感，滤波电路板等，有的公司将交流母排也加入了共模电感以加强系统的控制精度和提升系统效率；

• 通过细化结构设计，产品的功率密度逐渐提升，小型化、轻量化成为发展趋势；

• 电压等级逐步提高，高压控制器开始涌现。高压控制器具有输出电流小、系统损耗低、电压利用率高、输出容量大等优势；

• 部分机型的高压线束系统开始应用快插接头取代传统的格兰头，主要是整车厂为了加快生产效率，降低装配风险而要求的；

• 有些厂家尝试应用金属冲压件来做控制器的上盖，用以降低自重和制造成本；

• 为适应厂家的安全性需要，产品上增加了放电电路板、通气塞、高压互锁开关等部件。

      这种直接冷却的Pin-Fin结构IGBT模块目前被广泛用于乘用车领域，在市场上享有极大的保有量，它的应用使得电机控制器的发展更为完善可靠。

• 控制器内部无线缆连接的模块式控制单元设计、单板涂敷加厚三防漆、强弱电分区隔离、去耦屏蔽设计；
• 车规级控制技术，软件架构基于Autosar架构开发；
• 产品满足 ISO26262设计标准；
• 全汽车级专用器件，耐温等级105℃。

• 过压，欠压，过流，短路，过载，过热（功率模块、电机和电路板），超速，自检，故障诊断（诊断传感器信号开路、短路、接电源和接地故障电路，含位置传感器、电流传感器、电压传感器和温度传感器，各种低电压传感器），CAN丢失、MCU监控、高压互锁、开盖互锁、辅助电源故障、通讯故障等保护;
• 符合ISO14229的UDS诊断服务及Bootloader功能，满足整车厂对UDS的需求。

• 转速控制精度高及过冲量小；
• 力矩控制精度高和快速响应，  为极限工况的运行可靠性提供保障；
• 旋转变压器的零位自动校正功能，可在车辆行使情况下自动校正零位。

      该控制器的工作温度-40℃—105℃，该款控制器是通过结构设计，将冷却水道布置在薄膜电容与IGBT之间，冷却液同时给薄膜电容与IGBT进行散热，从而极大的提高整机的散热效率。