微型电动汽车电驱控制器堵转工况下散热器测试与仿真
摘要：以某电动汽车电机控制器强迫风冷散热器为研究对象，引入模拟热源解决功率器件堵转工况测试过程中结温特性对实验的影响，开发了散热器散热性能测试系统，并测试了该工况下散热器进口风速对散热性能的影响。在此基础上，通过实验数据结果作为仿真模型的参数输入，分析了散热系统的全域温度场分布情况，为散热器的性能分析与优化设计提供依据。
关键词：电机控制器散热系统功率器件实验
A00级纯电动汽车电机驱动过程中，功率器件MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）会伴随着热量的产生，如果因热量的累积造成控制器温度过高，从而导致控制器中的电子器件的性能下降，甚至电路元器件的损坏，因此，电机驱动器需要配备合适的散热系统[1-2]。
强迫风冷散热方式具有传热效率高、可靠安全等优点被广泛使用。理论上在散热性能测试过程中，采用真实的功率器件进行测试能够更贴近工作实际，但是在堵转工况下功率器件因结温无法长时间运行[3-5]。为此，本文针对电机控制器堵转工况引入模拟热源，研制了集成式测试系统对电机散热器性能进行测试，并在此基础上，针对散热器的温度场分布情况进行了仿真分析。解决堵转工况下散热性能参数无法获取、整体性能难以评估的问题，为电机控制器散热系统的性能评估提供了测试方案。
2研究对象
研究用电机驱动器主要参数包括：额定电流150A、峰值电流400A、工作电压范围110-170V，冷却方式为强迫风冷，匹配的电驱控制器功率器件MOSFET是Infineon公司生产，型号为IPB107N20N3G，其主要参数耐压为200V、导通电阻10.7mΩ、额定电流88A（处于25℃）。电驱控制器输出为U/V/W三相，每相上、下桥臂各为9个并联的功率器件MOSFET。M1，M4为A相上桥臂及下桥臂；M3，M6为B相上桥臂及下桥臂；M5，M2为C相上桥臂及下桥臂。MOSFET导通顺序为M1M6→M1M2→M3M2→M3M4→M5M4→M5M6→M1M6，控制器的输出通过调整上桥PWM脉宽实现，如图1所示，PWM频率为10kHz[6]。
在每一个PWM周期内，有两种工作状态：状态1：M3和M2导通，电流I1经M3、电机线圈L、M2、流入地。状态2：M3关断，M2导通，电流I2流经电机线圈L、M2、M6，此状态称为续流状态。根据电机控制器逆变控制原理，我们假设电机堵转时，控制器MOSFET的功率损耗随着电机负载的加大而增加，控制器的MOSFET损耗达到最大。为了分析方便，我们假设电机堵转时，B相上桥臂工作在PWM模式下，C相下桥臂一直导通，B相下桥臂为同步整流工作方式[7]。
3模拟热源方案设计
电驱控制器的主要热源是功率器件MOSFET，该功率器件因其固有特性不能在堵转工况下长时间运行，并且因其结温也会造成试验误差。因此，试验系统通过模拟热源来代替处于堵转工况下功率器件MOSFET散发热量的情况。
堵转工况功率损耗计算过程如下：B相上桥臂单个MOSFET随着PWM方波调制波形不断开关，功率损耗Ptot1为开关断损耗Psw_MOS与导通损耗Pon_Mos之和：
Ptot1=Pon_Mos+Psw_MOS=I2DS*Ron*ton*sw+
（tr+t）*swnbsp;（1）
式中，Ron为导通电阻，UDS为电源电压，IDS工作最大电流，tr为MOSFET开启时间，t为关闭时间，ton为导通时间，开关频率。
C相下桥臂单个MOSFET导通损耗Pon_D与B相续流损耗PSW_D之和，功率损耗为Ptot2：
Ptot2=Pon_D+Psw_D=I2DS*Ron+sw*trd
（Vrd*IDS+I2DS*RD）（2）
式中，Vrd为二极管的正向导通压降，trd为MOSFET体二极管开通时间。
总的功率损耗Ptot近似为：
Ptot=（Ptot1+Ptot2）*9（3）
堵转工况时MOSFET工作参数如下，UDS=144V，IDS=40A，tr=190ns，t=275ns，ton=85us，trd=11.5us，sw=10kHz，Ron=20mΩ（处于121℃），Vrd=1.2V。通过堵转工况下各参数值，根据损耗经验公式估算得到整个散热器功率器件的损耗850W。加热元件是通过称为焦耳加热的原理将电能直接转换为热或热能的材料或装置，试验装置通过高温陶瓷加热片模拟MOSFET芯片的热损耗。
4试验平台方案开发
为了实现对电驱控制器强迫风冷形式的散热器采集处理温度、风速等信号用于性能评估，自主研制由数据采集与控制卡、信号调理卡、CAN上位机等测试系统外围设备组成的试验系统，并构建了热源模拟、风源控制、数据传输、温度风速采集与处理