新能源汽车电控系统及散热技术简述（下）
引 言
新能源汽车电控系统中主要的发热设备为逆变器，其作用是把电池的直流电逆变成可驱动电机的交流电。在这个过程中，逆变器中的IBGT将会产生大量热量。为解决这些设备的散热问题，本文将介绍逆变器工作原理及先进液冷散热技术。
一、逆变器工作原理及散热问题简介
在新能源汽车的电控系统中，逆变器作为连接高压电池和电机动力之间相互转化的装置，对电动汽车的正常行驶起到很重要的作用，逆变器是把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成定频定压或调频调压交流电(一般为220V,50Hz正弦波)的转换器，保证新能源汽车的电能转换。
图1 汽车逆变器
图2 逆变器基本电路构成示意图
纯电动汽车上的逆变器位于电机控制器（MCU内），除了逆变器外，还有控制器一起组合在MCU内，MCU是整个动力系统的控制中心。控制器是接受驱动电机的需求信号，当车辆制动或者加速时，控制器控制变频器的频率升降使汽车行驶。
逆变器接受动力电池输出的直流电能，逆变成三相交流电提供给电机运转，在电动汽车制动过程中又起到制动回收电能的作用。如下图所示，逆变器内部是由6个IGBT组成，x型号排列是Sa-Sc。电动机的每一相输出线（Ia、Ib和Ic）和正负直流线都连接着一个IGBT。
图3 逆变器内部IGBT组成图
逆变器工作时，逆变器中的开关元件IGBT模块会产生大量的热量，当其温度超过150℃时，IGBT则无法发挥作用，所以要使用风冷或者水冷的散热设备。IGBT模块在电动汽车的安全驾驶中发挥着至关重要的作用，其工作的热稳定性成为评价电驱系统性能高低的关键。作为电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。IGBT模块占电动汽车成本将近10%，占充电桩成本约20%，并且其工作的热稳定性成为评价电驱系统性能高低的关键。
1、电动控制系统大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机；
2、车载空调控制系统小功率直流/交流(DC/AC)逆变，使用电流较小的IGBT和FRD；
3、充电桩智能充电桩中IGBT模块被作为开关元件使用；
图4 IGBT模块结构简图及新能源汽车半导体相关产品应用
二、电控系统先进水冷散热技术介绍
为解决目前电控系统的散热需求，现已有多种先进液冷散热技术。这些技术各有适合的应用场景，具有各自独特的特点。
模块单面水冷技术
模块双面压接在水冷散热器两侧，通过在水冷散热器两侧涂抹导热硅脂以及设计绝缘结构或其他形式的绝缘以及散热连接。冷却液在流道中流经模块将热量带走。
特点：
结构紧凑；
模块成本低；
体积非常小；
冷板利用率高。
图5 逆变器结构爆炸图
双层水冷技术
模块双面压接间接水冷散热器，通过在模块两侧涂抹导热硅脂以及设计绝缘结构或其他形式的绝缘以及散热连接。冷却液在流道中流经模块两侧将热量带走。
特点：
l 结构设计灵活；
l 成本较低；
l 体积非常小；
l 基板利用率高；
l 功率密度高。
适合用于体积小，功率密度大，成本低的车用散热需求。
图6 双层水冷技术示意图
ShowerPower技术
以铜底座模块实现直接水冷以降低系统热阻的目的。使用带有扰流效果的散热结构，从而大大增加了冷却液和铜底板的接触面积，增加换热效率。
特点：
l 扰流效果好；
l 换热效率高；
l 均温性好；
l 模块可靠性高。
适合用于要求可靠性高，换热密度大，均温性好的散热工况。
图7 ShowerPower示意图
IGBT针脚水冷基板技术
Pin-fin结构的针脚水冷基板适用于功率较大的水冷设计的IGBT封装模块，使用该结构消除功率模块与针脚水冷基板间的导热硅脂或其他填充材料。使水冷结构直接与模块换热。
特点
l 模块可靠性高
l 换热效率高
l 直接与基板接触，热阻小
l 可靠性高
适合用于大功率，水冷设计，对热阻要求高的散热工况。
图8 IGBT针脚水冷基板
IGBT水冷模块一体化散热模块技术
水冷模块一体化冷板将散热模块和功率模块一体化，提高了散热器和功率模块的配合程度，集成化程度高。
l 模块可靠性高；
l 热阻小；
l 换热效率高；
l 集成化程度高；
l 方便更换模块；
l 成本低。
适合用于批量化的模块化产品。
图9 IGBT针脚水冷基板
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