隨著汽車電動化程度的不斷提高，電機(jī)驅(qū)動功率模塊的性能和可靠性愈發(fā)重要。然而，這些模塊在工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，若不能及時(shí)有效地散發(fā)出去，將導(dǎo)致模塊溫度過高，進(jìn)而影響其性能和壽命。例如，IGBT 模塊在導(dǎo)通和關(guān)斷過程中會產(chǎn)生功率損耗，這些損耗以熱量的形式釋放出來。而且，汽車運(yùn)行工況復(fù)雜多變，功率模塊的發(fā)熱情況也隨之動態(tài)變化，這對冷卻系統(tǒng)的適應(yīng)性提出了很高要求。

水冷成為主流冷卻方式

在眾多冷卻方式中，水冷逐漸成為汽車電機(jī)驅(qū)動功率模塊的主流選擇。水的熱傳導(dǎo)率約為空氣的 20 倍，這使得水冷在散熱效率上具有顯著優(yōu)勢。以某款混合動力汽車為例，采用風(fēng)冷時(shí)，功率模塊的溫度在高負(fù)載工況下容易超出安全范圍;而更換為水冷系統(tǒng)后，溫度能夠穩(wěn)定控制在合理區(qū)間，保證了模塊的正常運(yùn)行。在大多數(shù)汽車應(yīng)用中，為了滿足功率模塊的熱管理需求，通常會設(shè)置專門的獨(dú)立冷卻循環(huán)。

散熱片的關(guān)鍵作用與材料選擇

散熱片在功率模塊的冷卻循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用，它負(fù)責(zé)將功率模塊產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至冷卻液。從 IGBT 芯片產(chǎn)生的熱量，首先要通過直接敷銅(DBC)底層轉(zhuǎn)移出來，接著經(jīng)過模塊基板，再通過熱油脂，最終進(jìn)入栓接的散熱片，這一過程主要依靠熱傳導(dǎo)。為了改善傳導(dǎo)熱轉(zhuǎn)移效率，可以選擇導(dǎo)熱系數(shù)(k)較高的材料，或者降低層厚度，減少熱源與冷卻液之間的層數(shù)。

在散熱片材料的選擇上，常見的有鋁、AlSiC 和銅。鋁具有重量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但導(dǎo)熱性能一般，且其鑄造工藝難以獲得高表面積，容易產(chǎn)生孔隙導(dǎo)致冷卻液泄漏，同時(shí)熱膨脹系數(shù)(CTE ~ 23 ppm/C)較高，不太適合作為功率模塊基板材料。AlSiC 雖然重量輕，但價(jià)格昂貴，其鑄造工藝在實(shí)現(xiàn)更大冷卻表面方面存在困難，鑄模磨損快，成本高，且導(dǎo)熱率相對較差(k=170w/mK)，因此在實(shí)際應(yīng)用中，只有對可靠性要求極高時(shí)才會選用其作為基板材料。

銅則具有很高的導(dǎo)熱率，成本也相對可接受，并且可以利用先進(jìn)的成模技術(shù)形成帶有密集針翅(pin fin)形狀的散熱片，如 Amulaire Nanopins 技術(shù)。銅鑄模能達(dá)到的針翅密度可實(shí)現(xiàn)比鋁或 AlSiC 散熱片大 3 至 5 倍的散熱表面積。盡管銅的 CTE 為 17 ppm/C，但通過基于銅基板的設(shè)計(jì)和制造工藝，它已成功應(yīng)用于高可靠性汽車應(yīng)用中的功率模塊基板 / 散熱片。

優(yōu)化功率模塊冷卻的設(shè)計(jì)思路

一種優(yōu)化功率模塊冷卻的有效方法是用散熱片替代功率模塊基板，這樣可以減少組裝中的兩個(gè)層(原來的基板和導(dǎo)熱油脂)，顯著改善從芯片到散熱片墻的熱傳導(dǎo)。當(dāng)熱量轉(zhuǎn)移到散熱片墻后，冷卻液對散熱片的冷卻就依賴于對流熱傳導(dǎo)，其公式為 q = h A (Tw - Tf)，其中 q 為傳導(dǎo)的熱量(單位為瓦)，h 是對流熱傳導(dǎo)系數(shù)，A 為散熱片與冷卻液接觸的表面積，Tw 是散熱片墻的溫度，Tf 為流動液體的溫度。在液體冷卻中，h 值相對較小，因此在指定的 Tw 下，表面積 A 成為決定液體冷卻散熱片效果的關(guān)鍵因素。

為了給 HEV 或 PEV 電機(jī)驅(qū)動功率模塊提供理想的冷卻解決方案，一方面要確保模塊結(jié)構(gòu)、材料以及散熱片墻具有良好的導(dǎo)熱率，采用散熱片作為功率模塊基板的設(shè)計(jì)，其性能將遠(yuǎn)優(yōu)于栓接的散熱片;另一方面，要盡可能增大散熱片與冷卻液的接觸面積，同時(shí)將液體流的壓力降低控制在合理范圍。因此，應(yīng)選擇表面積大且 “平整” 的散熱片，因?yàn)榇植诨蛴薪堑纳崞瑫哟髩毫担瑢?dǎo)致需要使用高功率、高成本的泵。通常，圓形或卵形針翅陣列是較為理想的結(jié)構(gòu)。

不同針狀散熱片設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

在電動汽車電機(jī)驅(qū)動的 SiC 功率模塊散熱中，針狀散熱片得到了廣泛應(yīng)用。許多 SiC 商業(yè)產(chǎn)品采用規(guī)則的針狀散熱片設(shè)計(jì)，所有針之間間距均勻規(guī)則，這種設(shè)計(jì)主要在針的形狀、大小、角度、旋轉(zhuǎn)和高度等幾何尺寸方面進(jìn)行變化，通過增加熱傳遞表面積來提高散熱效果。然而，增加針的直徑會增大冷卻介質(zhì)的阻力，而許多針狀散熱片設(shè)計(jì)依賴水泵，且無法提供無限的流體壓力，規(guī)則且密集排列的針會降低水壓，從而降低對流散熱效率，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須平衡冷卻劑壓力和散熱區(qū)域大小(即針的大小和形狀)。

不規(guī)則針狀散熱片設(shè)計(jì)是一種新的改進(jìn)方法，它能夠?yàn)榉蔷鶆驘嵩刺峁峁芾砟芰?。相比?guī)則針狀散熱片設(shè)計(jì)，熱優(yōu)化后的不規(guī)則針狀散熱片布局在降低冷卻劑壓力損失的同時(shí)，具有更好的熱傳遞效率。針的形狀和排列直接影響流體流動路徑，決定熱傳遞區(qū)域和周圍針的熱負(fù)載，使得不同功率模塊系統(tǒng)可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)不同的溫度分布，更能適應(yīng)電動汽車復(fù)雜多變的散熱需求。

熱設(shè)計(jì)的權(quán)衡與模擬技術(shù)應(yīng)用

在進(jìn)行功率模塊冷卻系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)時(shí)，需要在多個(gè)方面進(jìn)行權(quán)衡。一方面，追求高性能的復(fù)雜設(shè)計(jì)往往需要先進(jìn)的制造技術(shù)和大量計(jì)算資源，通過復(fù)雜的數(shù)值模擬和高級算法來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，如計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)、有限差分方法(FDM)和格子玻爾茲曼方法(LBM)等。其中，CFD 有助于精確調(diào)整逆變器散熱片設(shè)計(jì)，以滿足電動汽車逆變器在不同駕駛條件下的動態(tài)熱管理需求。另一方面，過于復(fù)雜的設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致制造成本增加、生產(chǎn)難度加大。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點(diǎn)。