igbt控制与可控硅控制有哪些不同（IGBT模块水冷结构对控制器结构设计的影响）

作者 吴庆国 版权归电动新视界

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刷了一年多的公众号，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。

通常情况下，如果是设计一款独立封装的电机控制器，作为结构工程师的我首先最关心的是选用什么样的IGBT，它的封装形式直接关系到我们的工作量和布置形式。如果是普通的平板封装，那么我们需要在壳体的外腔设计水道，并且要经过多轮的热仿真来确认水道结构是否满足峰值功率工况下的热平衡能力需求；如果是Pin-Fin封装，我们按厂家给定尺寸，留好冷却需要的沟槽即可，散热能力均在可控范围，对热仿真的需求没有那么依赖。如果是双面冷却模块，冷却系统都集成在模块内部，做好水道的连接封装即可，也相对简单得多。随着碳化硅、氮化镓等半导体材料的兴起，悄然兴起了效仿特斯拉的mosfet并联方案，方案的技术难度不高，难在工艺制程领域的产品一致性和自动化。

平面封装间接水冷IGBT模块

对于平板封装的引线键合、平面封装的IGBT模块，我们需要设计专门的冷却水道，模块与冷却水道分别处于壳体的内外腔体，依靠铝壳体的传导进行散热。IGBT模块平面与壳体之间需要涂抹导热硅脂，用来降低传导热阻。水道设计既要保证水路通顺，降低水阻，同时也希望水流相互搅拌，呈现一种湍流的状态，使得水路中的水流换热均匀，能尽可能带走更多的热量，提高换热效率。Pin-Fin结构就是湍流换热的典型代表结构。平衡小水阻和高换热效率之间的矛盾是评价水道设计优劣的关键之一。

引线键合、单面冷却示意图

典型单面冷却模块控制器爆炸图

单面平板封装IGBT模块

模块安装区域

水道结构

这种平板封装的IGBT模块，因价格便宜、性能可靠，目前仍广泛用于新能源商用车的控制器之中。

吉泰科商用车控制器

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。

经试验测试， Pin-Fin直接冷却模块比平面封装间接模块相比，模块总热阻大大降低，如水温约20℃、水流量4~9L/min时，模块的总热阻最高降低33%。另外Pin-Fin直接冷却模块内各芯片的温度分布更为均匀，利于模块的均流特性。

Infineon HybridPack

Pin-Fin直接冷却结构

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。

高可靠性设计

• 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℃。

完善的保护功能

• 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。

快速的动态响应

• 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。

Pin-Fin模块控制器经典结构

广汽传祺GE3控制器

此款控制器由法雷奥西门子开发制造，具有如下特点：宽工作温度范围、高功率密度、高功能安全等级。这款控制器功率密度为28kW/L，功能安全等级ASIL-D。

技术参数

电机最大功率（kW） 130

电机最大扭矩（Nm） 290

电压平台（V） 220-420

电机额定转速（rpm） 4000

电机最大转速（rpm） 12000

功率密度（kW/L） 28

峰值效率（%） 97.5%

EMC Class-3

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。

广汽传祺GE3控制器爆炸图

广汽传祺GE3控制器实物图

集成型双面直接冷却模块

为了进一步提高模块冷却效率，开发出了以扩大了散热区域为突破点的双面直接水冷模块。

双面冷却方案是把温度传感器和电流传感器功能集成，实现对整个模块进行芯片级的管理，同时集成水冷流道的散热结构。以散热器内部使用经典的Pin-Fin散热流道方案为例，阐述一下双面水冷模组的优势。水冷设计的重点包括流量的均恒，散热流族限制下的Pin-Fin针形状和大小的优化设计。基于同样的总流量假设，双面水冷较之单面水冷，热阻可以减小32%，同时水路压降跌落也只有其35%。同时，对于双面散热，仅增大27.5%的压力，就能获得双倍于单面水冷的总散热流量。同等条件下，采用双面水冷散热后，输出功率能够增加30%以上。如果采用更优化的水冷板设计，控制器的电流能力能够增加50%甚至更多。

日企双面水冷控制器

华为首发双面水冷控制器

安森美双面冷却模块热损对比图

奥迪e-tron双面Pin-Fin水冷模块

奥迪e-tron电机控制器

Hitachi双面冷却模块

Hitachi双面冷却模块应用展示

双面水冷电机控制器以高功率密度、抗过载能力强，深得乘用车厂的青睐。双面水冷方案使Si基的IGBT模块性能发挥到了极致，是值得推广应用的技术方案，但模块的高温可靠性还需时日加以验证。

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