汽车电机驱动功率模块的冷却解决方案

随着汽车电动化程度的不断提高，电机驱动功率模块的性能和可靠性愈发重要。然而，这些模块在工作过程中会产生大量热量，若不能及时有效地散发出去，将导致模块温度过高，进而影响其性能和寿命。例如，IGBT 模块在导通和关断过程中会产生功率损耗，这些损耗以热量的形式释放出来。而且，汽车运行工况复杂多变，功率模块的发热情况也随之动态变化，这对冷却系统的适应性提出了很高要求。

水冷成为主流冷却方式

在众多冷却方式中，水冷逐渐成为汽车电机驱动功率模块的主流选择。水的热传导率约为空气的 20 倍，这使得水冷在散热效率上具有显著优势。以某款混合动力汽车为例，采用风冷时，功率模块的温度在高负载工况下容易超出安全范围;而更换为水冷系统后，温度能够稳定控制在合理区间，保证了模块的正常运行。在大多数汽车应用中，为了满足功率模块的热管理需求，通常会设置专门的独立冷却循环。

散热片的关键作用与材料选择

散热片在功率模块的冷却循环中起着至关重要的作用，它负责将功率模块产生的热量传导至冷却液。从 IGBT 芯片产生的热量，首先要通过直接敷铜(DBC)底层转移出来，接着经过模块基板，再通过热油脂，最终进入栓接的散热片，这一过程主要依靠热传导。为了改善传导热转移效率，可以选择导热系数(k)较高的材料，或者降低层厚度，减少热源与冷却液之间的层数。

在散热片材料的选择上，常见的有铝、AlSiC 和铜。铝具有重量轻、成本低的优点，但导热性能一般，且其铸造工艺难以获得高表面积，容易产生孔隙导致冷却液泄漏，同时热膨胀系数(CTE ~ 23 ppm/C)较高，不太适合作为功率模块基板材料。AlSiC 虽然重量轻，但价格昂贵，其铸造工艺在实现更大冷却表面方面存在困难，铸模磨损快，成本高，且导热率相对较差(k=170w/mK)，因此在实际应用中，只有对可靠性要求极高时才会选用其作为基板材料。

铜则具有很高的导热率，成本也相对可接受，并且可以利用先进的成模技术形成带有密集针翅(pin fin)形状的散热片，如 Amulaire Nanopins 技术。铜铸模能达到的针翅密度可实现比铝或 AlSiC 散热片大 3 至 5 倍的散热表面积。尽管铜的 CTE 为 17 ppm/C，但通过基于铜基板的设计和制造工艺，它已成功应用于高可靠性汽车应用中的功率模块基板 / 散热片。

优化功率模块冷却的设计思路

一种优化功率模块冷却的有效方法是用散热片替代功率模块基板，这样可以减少组装中的两个层(原来的基板和导热油脂)，显著改善从芯片到散热片墙的热传导。当热量转移到散热片墙后，冷却液对散热片的冷却就依赖于对流热传导，其公式为 q = h A (Tw - Tf)，其中 q 为传导的热量(单位为瓦)，h 是对流热传导系数，A 为散热片与冷却液接触的表面积，Tw 是散热片墙的温度，Tf 为流动液体的温度。在液体冷却中，h 值相对较小，因此在指定的 Tw 下，表面积 A 成为决定液体冷却散热片效果的关键因素。

为了给 HEV 或 PEV 电机驱动功率模块提供理想的冷却解决方案，一方面要确保模块结构、材料以及散热片墙具有良好的导热率，采用散热片作为功率模块基板的设计，其性能将远优于栓接的散热片;另一方面，要尽可能增大散热片与冷却液的接触面积，同时将液体流的压力降低控制在合理范围。因此，应选择表面积大且 “平整” 的散热片，因为粗糙或有角的散热片会加大压力降，导致需要使用高功率、高成本的泵。通常，圆形或卵形针翅阵列是较为理想的结构。

不同针状散热片设计的特点

在电动汽车电机驱动的 SiC 功率模块散热中，针状散热片得到了广泛应用。许多 SiC 商业产品采用规则的针状散热片设计，所有针之间间距均匀规则，这种设计主要在针的形状、大小、角度、旋转和高度等几何尺寸方面进行变化，通过增加热传递表面积来提高散热效果。然而，增加针的直径会增大冷却介质的阻力，而许多针状散热片设计依赖水泵，且无法提供无限的流体压力，规则且密集排列的针会降低水压，从而降低对流散热效率，因此设计时必须平衡冷却剂压力和散热区域大小(即针的大小和形状)。

不规则针状散热片设计是一种新的改进方法，它能够为非均匀热源提供热管理能力。相比规则针状散热片设计，热优化后的不规则针状散热片布局在降低冷却剂压力损失的同时，具有更好的热传递效率。针的形状和排列直接影响流体流动路径，决定热传递区域和周围针的热负载，使得不同功率模块系统可根据需求实现不同的温度分布，更能适应电动汽车复杂多变的散热需求。

热设计的权衡与模拟技术应用

在进行功率模块冷却系统的热设计时，需要在多个方面进行权衡。一方面，追求高性能的复杂设计往往需要先进的制造技术和大量计算资源，通过复杂的数值模拟和高级算法来实现优化，如计算流体动力学(CFD)、有限差分方法(FDM)和格子玻尔兹曼方法(LBM)等。其中，CFD 有助于精确调整逆变器散热片设计，以满足电动汽车逆变器在不同驾驶条件下的动态热管理需求。另一方面，过于复杂的设计可能导致制造成本增加、生产难度加大。因此，需要在性能、成本、可制造性和可靠性等方面找到最佳平衡点。