为发动机驱动电路冷却选择恰当的散热片

混合动力汽车(HEV)或充电电动汽车(PEV)通常使用电机驱动功率模块，例如IGBT模块，这些模块会产生非常大的热量，通常大约为1,000W到2,000W。冷却这些汽车电子功率模块的唯一有效方法是水冷，而不是风冷，因为水的热传导率是空气的20倍。水还具有很高的热量(吸收能量的能力)，是空气的4倍。

在大多数的汽车应用中，功率模块都具有这样的热挑战。事实上，有专门的独立冷却循环来对其进行冷却。散热片用来将功率模块的热量传导到冷却液，成为冷却循环的重要部分。那么，如何选择最佳的液体冷却散热片呢？要做出这个选择需要在多种考虑因素之间进行权衡，例如热性能、重量、成本、可靠性和可制造性。让我们看看IGBT芯片产生的热量是如何通过冷却液传导。

1 改善导热性能

首先，热必须通过直接敷铜(DBC)底层转移出来，然后经过模块基板(base plate)，再通过热油脂，再进入到栓接的散热片(见图1)。这部分的热量转移完全是通过热传导来实现的。

为改善传导热转移，你要么选择具有最高的导热系数(k)的材料，要么降低层厚度，或者减少热源与冷却液之间的层数。例如，氮化铝陶瓷(k=160W/mK)用作DBC基底材料，相比于氧化铝来说(k = 25到 35 W/mK)是一种不错的选择。相对于铝(k = 220 W/mK)或者铝硅炭化物(AlSiC) (k = 170 - 180 W/mK)来说，铜(k = 390 W/mK)材料是用于模块基底更好的选择。简言之，如果不选择非常昂贵的材料，你所选则的材料的导热性能不会超过铜。

可以简化散热片材料的选择，实际上就是在铝、AlSiC和铜之间选择。铝很轻而且便宜，但是导热性能一般，而且很重要的是，没有合适的制造方法来获得高的表面积。铝铸模不能获得高的密度，而且容易产生孔隙，会导致冷却液的泄漏。铝还具有比较高的热膨涨系数(CTE ~ 23 ppm/C)，因此不适合用作功率模块基板材料。

AlSiC很轻，但是很昂贵，被加工用来降低CTE以接近IC材料，通常做成9 - 12 ppm/C之间。而且，AlSiC的铸造工艺难以实现更大的冷却表面。而且铸模磨损很快，导致更换铸模的成本开销。最后，材料的导热率相对比较差，大约为k＝170w/mK。因为这些原因，AlSiC从来没有用作栓接冷却片材料，在实际中，只有在需要非常高的可靠性的时候，才选择AlSiC作为基板材料。

铜具有很高的导热率、可接受的成本，以及最重要的是，可以利用先进的成模技术形成带有非常密集针翅(pin fin)形状的散热片(例如Amulaire Nanopins)。铜铸模能达到的针翅密度可以实现超过铝或AlSiC散热片3倍到5倍的散热表面积。尽管铜的CTE比较高(17 ppm/C)，但是仍然成功地应用在高可靠性汽车应用中，作为功率模块的基板/散热片，其制造工艺是基于铜基板设计的。

                                         图1：冷却系统的组成示意图。

2 设计实践

优化功率模块冷却的一个选择是用散热片替代功率模块基板。这有效地去掉了组装中的两个层(原来的基板和导热油脂)，大大地改善了从芯片到散热片墙的热传导。

一旦热量转移到散热片墙，冷却液对散热片的冷却就取决于对流热传导。基本的对流热传导等式为：

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。

如前面所述，Tw的大小决定于从IGBT芯片经过功率模块器件传导到散热片墙的热量，Tf由冷却系统的其它参数决定。

更有效的导热路径可以获得更高的Tw，以及冷却液更佳的对流冷却。对于液体冷却来说，无论采用什么散热片，h值都将比较小。那么很明显，在任何指定的Tw下，表面积A将主要确定液体冷却散热片的效果。

3 本文小结

为了给HEV或PEV电机驱动功率模块提供最佳的冷却解决方案，首先需要确保模块结构以及材料、散热片墙具有最高的导热率。采用散热片作为功率模块基板的设计，其表现的性能将远远高于栓接的散热片。

其次，使散热片与冷却液的接触面积最大，同时让液体流的压力降低在一个合理的范围。因此，选择一个具有大表面积以及“平整”的散热片。粗糙的或有角的散热片会加大压力降，迫使采用高功率和高成本的泵。通常，最佳的结构是圆形或卵形针翅阵列。

HEV或PEV功率模块冷却的最佳选择是那些用铜制成的，具有大的表面积和压力降低小的散热片来替代模块的基板。这种结构可以实现性能、重量、尺寸、可靠性和成本的最佳结合。

在作比较时，记住要考虑散热片的所有参数。高性能铜散热片作为功率模块基板，由于其卓越的性能，大多数情况下可以直接包含在汽车引擎冷却环路中。对于发动机驱动电路来说，这种结构节省了专用冷却环路(泵、管道和水箱等)的成本，并减小了尺寸和重量。