汽車(chē)功率器件的熱管理

熱管理包括與電子設(shè)備和電路中產(chǎn)生的熱量的產(chǎn)生、控制和消散相關(guān)的所有技術(shù)解決方案。每個(gè)電子元件在其運(yùn)行過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生一定量的熱量，這會(huì)對(duì)元件本身的性能和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。由于每個(gè)電子行業(yè)都傾向于盡可能減小封裝尺寸，隨之而來(lái)的散熱問(wèn)題使情況變得更加復(fù)雜。半導(dǎo)體的結(jié)溫應(yīng)保持在制造商設(shè)定的限制以下；否則，可靠性和元件壽命都會(huì)受到影響。

熱管理挑戰(zhàn)

熱管理策略應(yīng)該應(yīng)用于任何能夠產(chǎn)生熱量的電子設(shè)備。在汽車(chē)行業(yè)，由于極端溫度和冷熱交替，這一方面對(duì)于保證高水平的可靠性和安全性至關(guān)重要。電子設(shè)計(jì)師面臨的最大挑戰(zhàn)之一是重現(xiàn)或模擬最嚴(yán)酷的工作條件，即電子設(shè)備承受高熱應(yīng)力的條件。這項(xiàng)任務(wù)通過(guò)使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 模擬軟件來(lái)促進(jìn)，該軟件簡(jiǎn)化了大功率電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)。汽車(chē)功率器件熱管理的主要挑戰(zhàn)是高功率密度、惡劣的環(huán)境條件、產(chǎn)品小型化和成本降低。應(yīng)采取適當(dāng)措施解決熱管理問(wèn)題，從傳統(tǒng)的（散熱器、熱管和風(fēng)扇）到更具創(chuàng)新性的（制冷劑冷卻、緊湊型換熱器、微型熱電冷卻器、相變材料、冷板冷卻）。熱管理的最新趨勢(shì)是通過(guò)開(kāi)發(fā)納米技術(shù)和智能材料等先進(jìn)解決方案，從單相傳熱技術(shù)轉(zhuǎn)向多相傳熱技術(shù)。

汽車(chē)應(yīng)用

安裝在車(chē)輛上的電子設(shè)備的數(shù)量、價(jià)值和復(fù)雜性不斷增加。這使得功率器件的熱管理變得更加困難，同時(shí)也變得更加重要。乘客艙內(nèi)散熱最高的動(dòng)力設(shè)備包括熱通風(fēng)和空調(diào) (HVAC)、無(wú)線(xiàn)電和信息娛樂(lè)系統(tǒng)、儀表板、儀表和平視顯示器。乘客艙外的動(dòng)力設(shè)備包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元 (ECU)、制動(dòng)系統(tǒng)控制單元和不同類(lèi)別的傳感器。這些設(shè)備帶來(lái)的主要挑戰(zhàn)涉及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)達(dá)到的高工作溫度，環(huán)境條件在非常廣泛的值范圍內(nèi)變化，以及適用于汽車(chē)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)所施加的非常嚴(yán)格的要求。電子設(shè)備，尤其是安裝在乘客艙外的電子設(shè)備，通常是密封的，以防止?jié)駳膺M(jìn)入：這方面使冷卻變得更加復(fù)雜，這仍然僅限于基于傳導(dǎo)和對(duì)流的技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)的電子元件暴露在高溫下，散熱問(wèn)題也與非常小的占地面積有關(guān)。混合動(dòng)力 (HEV) 和電動(dòng) (EV) 汽車(chē)的日益普及使電動(dòng)機(jī)和電池所需的冷卻需求脫穎而出。涉及的功率水平相當(dāng)高，這也取決于車(chē)輛的“電氣化”程度。在“全混合”車(chē)輛中達(dá)到最高功率值，功率值高于 15kW，電壓高于 100V。因此，有必要使用基于使用散熱器、熱交換器和電動(dòng)泵進(jìn)行液體冷卻的先進(jìn)冷卻技術(shù)。

在 HEV 和 EV 車(chē)輛中，電力電子設(shè)備執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，例如控制電動(dòng)機(jī)、與電子控制單元通信和診斷。除了 ECU 之外，其他典型組件還有逆變器和一個(gè)或多個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器。為了使功率器件保持在推薦的溫度范圍內(nèi)，它們應(yīng)連接到車(chē)輛的冷卻/加熱系統(tǒng)。用于液體冷卻的熱交換器和電動(dòng)泵。在 HEV 和 EV 車(chē)輛中，電力電子設(shè)備執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，例如控制電動(dòng)機(jī)、與電子控制單元通信和診斷。除了 ECU 之外，其他典型組件還有逆變器和一個(gè)或多個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器。為了使功率器件保持在推薦的溫度范圍內(nèi)，它們應(yīng)連接到車(chē)輛的冷卻/加熱系統(tǒng)。用于液體冷卻的熱交換器和電動(dòng)泵。在 HEV 和 EV 車(chē)輛中，電力電子設(shè)備執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，例如控制電動(dòng)機(jī)、與電子控制單元通信和診斷。除了 ECU 之外，其他典型組件還有逆變器和一個(gè)或多個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器。為了使功率器件保持在推薦的溫度范圍內(nèi)，它們應(yīng)連接到車(chē)輛的冷卻/加熱系統(tǒng)。

商業(yè)級(jí)解決方案

汽車(chē)應(yīng)用要求功率器件符合該領(lǐng)域設(shè)想的可靠性和安全標(biāo)準(zhǔn)，例如 AEC-Q100 和 AEC-Q101。英飛凌科技在為汽車(chē)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)和制造電子元件方面擁有 40 多年的經(jīng)驗(yàn)，擁有滿(mǎn)足每個(gè)汽車(chē)領(lǐng)域需求的大量半導(dǎo)體選擇。臨時(shí)文件，特別是通過(guò)其溫度傳感器提供第一級(jí)溫度和電流保護(hù)。溫度傳感器可在外部引腳上使用，可實(shí)現(xiàn)直接門(mén)訪(fǎng)問(wèn)和靈活的溫度響應(yīng)控制。圖 1 顯示了 Tempfet 器件的簡(jiǎn)化框圖，該器件能夠在高達(dá) 1 MHz 的開(kāi)關(guān)頻率和擴(kuò)展溫度范圍（-40°C 至 +175°C）下運(yùn)行。

圖 1：英飛凌 Tempfet 器件的框圖

STMicroelectronics擁有廣泛的功率器件產(chǎn)品組合，適用于汽車(chē)應(yīng)用。其中包括PowerFLAT系列汽車(chē)功率 MOSFET，采用微型 5x6mm 雙面冷卻 (DSC) 封裝。新型 MOSFET（封裝如圖 2 所示）可提高汽車(chē)電子控制單元 (ECU) 的功率密度，是適用于汽車(chē)電機(jī)控制應(yīng)用、電池反向保護(hù)和高性能電源開(kāi)關(guān)的 40V 器件。0.8 毫米高的 PowerFLAT TM ?5×6 DSC 保留了標(biāo)準(zhǔn)封裝的占位面積和熱效率底部設(shè)計(jì)，同時(shí)暴露了頂部源電極以進(jìn)一步增強(qiáng)散熱，簡(jiǎn)化熱管理。

圖 2：ST PowerFLAT MOSFET

安森美半導(dǎo)體擁有全面的創(chuàng)新節(jié)能功率器件產(chǎn)品組合，提供NVG800A75L4DSC，這是一款 750V-800A 功率模塊，具有雙面冷卻和緊湊的占地面積，適用于混合動(dòng)力 (HEV) 和電動(dòng)汽車(chē) (EV) 牽引逆變器應(yīng)用。該模塊由兩個(gè)采用半橋配置的窄臺(tái)面場(chǎng)截止 IGBT 組成。提供雙側(cè)液冷散熱器參考設(shè)計(jì)以及完整的逆變器套件 (NVG800A75L4-EVK)，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

審核編輯：劉清