隨著汽車電動化程度的不斷提高，電機驅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生大量熱量，若不能及時有效地散發(fā)出去，將導致模塊溫度過高，進而影響其性能和壽命。例如，IGBT 模塊在導通和關斷過程中會產生功率損耗，這些損耗以熱量的形式釋放出來。而且，汽車運行工況復雜多變，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驅動功率模塊的主流選擇。水的熱傳導率約為空氣的 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，采用風冷時，功率模塊的溫度在高負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行。在大多數汽車應用中，為了滿足功率模塊的熱管理需求，通常會設置專門的獨立冷卻循環(huán)。

散熱片的關鍵作用與材料選擇

散熱片在功率模塊的冷卻循環(huán)中起著至關重要的作用，它負責將功率模塊產生的熱量傳導至冷卻液。從 IGBT 芯片產生的熱量，首先要通過直接敷銅(DBC)底層轉移出來，接著經過模塊基板，再通過熱油脂，最終進入栓接的散熱片，這一過程主要依靠熱傳導。為了改善傳導熱轉移效率，可以選擇導熱系數(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。

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，但導熱性能一般，且其鑄造工藝難以獲得高表面積，容易產生孔隙導致冷卻液泄漏，同時熱膨脹系數(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，但價格昂貴，其鑄造工藝在實現更大冷卻表面方面存在困難，鑄模磨損快，成本高，且導熱率相對較差(k=170w/mK)，因此在實際應用中，只有對可靠性要求極高時才會選用其作為基板材料。

銅則具有很高的導熱率，成本也相對可接受，并且可以利用先進的成模技術形成帶有密集針翅(pin fin)形狀的散熱片，如 Amulaire Nanopins 技術。銅鑄模能達到的針翅密度可實現比鋁或 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計和制造工藝，它已成功應用于高可靠性汽車應用中的功率模塊基板 / 散熱片。

優(yōu)化功率模塊冷卻的設計思路

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層(原來的基板和導熱油脂)，顯著改善從芯片到散熱片墻的熱傳導。當熱量轉移到散熱片墻后，冷卻液對散熱片的冷卻就依賴于對流熱傳導，其公式為 q = h A (Tw - Tf)，其中 q 為傳導的熱量(單位為瓦)，h 是對流熱傳導系數，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鍵因素。

為了給 HEV 或 PEV 電機驅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構、材料以及散熱片墻具有良好的導熱率，采用散熱片作為功率模塊基板的設計，其性能將遠優(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，同時將液體流的壓力降低控制在合理范圍。因此，應選擇表面積大且 “平整” 的散熱片，因為粗糙或有角的散熱片會加大壓力降，導致需要使用高功率、高成本的泵。通常，圓形或卵形針翅陣列是較為理想的結構。

不同針狀散熱片設計的特點

在電動汽車電機驅動的 SiC 功率模塊散熱中，針狀散熱片得到了廣泛應用。許多 SiC 商業(yè)產品采用規(guī)則的針狀散熱片設計，所有針之間間距均勻規(guī)則，這種設計主要在針的形狀、大小、角度、旋轉和高度等幾何尺寸方面進行變化，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的阻力，而許多針狀散熱片設計依賴水泵，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，因此設計時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)則針狀散熱片設計是一種新的改進方法，它能夠為非均勻熱源提供熱管理能力。相比規(guī)則針狀散熱片設計，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，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)域和周圍針的熱負載，使得不同功率模塊系統(tǒng)可根據需求實現不同的溫度分布，更能適應電動汽車復雜多變的散熱需求。

熱設計的權衡與模擬技術應用

在進行功率模塊冷卻系統(tǒng)的熱設計時，需要在多個方面進行權衡。一方面，追求高性能的復雜設計往往需要先進的制造技術和大量計算資源，通過復雜的數值模擬和高級算法來實現優(yōu)化，如計算流體動力學(CFD)、有限差分方法(FDM)和格子玻爾茲曼方法(LBM)等。其中，CFD 有助于精確調整逆變器散熱片設計，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，過于復雜的設計可能導致制造成本增加、生產難度加大。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。