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電子論文

電子風扇控制器中MOSFET的熱分析

時間:2020年07月04日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

摘要:隨著汽車電子技術的發展,使用電子冷卻風扇替代傳統風扇正成為一種發展趨勢。電子風扇相較于傳統風扇降低了發動機的功率損失及低溫條件下的磨損程度。文章分析了在功率器件中發熱量占主導地位的MOSFET的發熱機理并進行了損耗的相關公式推導。在Icepak

  摘要:隨著汽車電子技術的發展,使用電子冷卻風扇替代傳統風扇正成為一種發展趨勢。電子風扇相較于傳統風扇降低了發動機的功率損失及低溫條件下的磨損程度。文章分析了在功率器件中發熱量占主導地位的MOSFET的發熱機理并進行了損耗的相關公式推導。在Icepak中搭建了冷卻風扇和控制器的模型并在高溫條件下進行有限元仿真分析。仿真結果顯示在設計最高環境溫度下MOSFET的溫度滿足要求。

  關鍵詞:Icepak軟件;強迫風冷;金屬-氧化物半導體場效應晶體管

山西電子技術

  作者:楊鵬宏

  汽車電子冷卻風扇是汽車冷卻系統的關鍵部件之一。大部分乘用車電子風扇同時控制著水箱散熱片和空調散熱片,當需要電子風扇高速運轉時,如果它不能正常工作,水箱里的溫度就會偏高,同時壓縮機也會因散熱困難導致壓力過高而停機,這會影響空調的正常運轉,嚴重時還有可能導致車輛起火自燃等危險情況發生。據統計,55%的電子設備失效是由溫度過高引起的[1]。研究表明:半導體元件溫度提高10℃,其可靠性降低50%;對于電子設備,每降低1℃的溫度,故障率將下降4%。汽車電子冷卻風扇采用將控制器置于風道中的冷卻方式,通過散熱翅片與風扇的配合達到有效抑制MOS管溫升的效果。

  電子論文投稿刊物:《山西電子技術》以反映電子信息技術領域的研究成果、技術動態,促進學術交流,推動科技成果向社會生產力轉化為宗旨,主要刊登電子信息領域具有創新性的研究、技術應用論文及技術研究進展的綜述。主要讀者對象是從事與電子信息技術研究、應用有關的廣大科技工作者和高等院校師生。

  1汽車電子風扇的工作原理

  汽車發動機冷卻液存在小循環和大循環兩種工作方式。當發動機溫度較低時冷卻液不經散熱器并以小循環方式通過發動機,這樣有助于發動機快速升溫至正常工作溫度。通過吸收來自發動機的熱量,冷卻液溫度升高。當溫度達到閾值溫度后,旁通閥關閉,主閥打開,高溫冷卻液從發動機側流向散熱器,散熱器風扇便會開啟,冷卻液的熱量將會借助風扇散發到空氣中。風扇控制器通過對ECU指令的解析,可以實現對風扇的無極調速,從而達到精確控制溫升的目的。

  2MOSFET的開關過程及發熱分析

  過程可以分為四個階段:第一步,MOS管的柵源極電壓被充至閾值電壓,在這個階段CGS和CGD電容器吸收的電流有所不同,絕大部分都流入了CGS。當MOS管開始流過大電流時就可以說明G極電壓已經達到VTH。第二步,柵極電壓從閾值電壓升高到米勒平臺電壓VGS,Miller。隨著VGS的不斷提升,此時柵端電流的流向和之前保持一致。在輸出端,漏電流持續增加,而VDS則保持不變。第三步,達到米勒平臺電壓VGS,Miller,此時負載電流可以完全通過MOS管,此時,漏極電壓開始降低。但VDS基本保持不變,這是因為柵極電壓波形中的米勒平臺區。因為受到外部電路的限制,所以漏極電流ID保持恒定[2]。第四步,柵極電壓繼續增加,MOS管流過負載電流的能力持續增強。

  MOS管最終的導通電阻由VGS的終值VDRV決定。通過對CGS和CGD的充電過程實現了上述這四個階段。當電容器充放電時,因為導通電阻下降,因此VDS略有下降。MOS管關斷過程的描述基本上是導通過程的逆過程。四個時間階段中,MOS管在最高和最低阻抗狀態之間切換。四個時間階段的長短是寄生電容值,電容兩端的電壓以及柵極驅動電流的函數[3]。從中可以看出對于高速,高頻開關應用而言,正確選擇器件和優化柵極驅動器設計的重要性。MOS管數據手冊中列出了開通和關斷的延遲時間以及開關波形中上升和下降的時間[4]。遺憾的是,這些數字對應于特定的測試條件和負載,從而使不同制造商之間的產品比較變得困難。此外,在實際應用中,開關性能與數據表中給出的數字有很大不同。在實際應用中MOS管的開關過程將不可避免的有損耗產生,特別是在高頻應用中。

  3數學模型

  電子熱仿真模擬主要是利用計算機的數值計算來求解電子產品所處環境的流場,溫度場等物理場,屬于CFD的范疇。通過對CFD計算結果進行分析,可以定向定量地指導工程師進行結構、電路方面的優化設計,從而達到最優的設計結果。

  4熱仿真分析

  冷卻風扇的主要作用是向汽車發動機水箱散熱,因此電機只需滿足單向轉動即可。電子風扇控制器的工作性能和參數如下:系統額定功率:520W單個MOS管的發熱功率:3W額定電壓:13V;工作電壓范圍:9-16VDC元器件等級:AEC-Q100/200耐久性能:測試環境溫度最高105℃,器件最高溫度不超過150℃由于本系統負載為電機,驅動頻率過低會導致轉矩脈動變大同時電機會發出噪聲,本系統將頻率設為15kHz。

  為了減少發熱采用兩路MOSFET并聯使用的方式,兩路MOSFET并聯后減少了導通電阻。在繪制電路板時,將MOSFET布置在周圍器件少的地方,并專門設計了鋁合金材質的散熱臺(導熱系數:155W/(m·℃))用于散熱,散熱臺與PCB板間采用導熱硅膠墊(導熱系數:3.0W/(m·℃))連接,厚度為0.8mm。

  5結束語

  本文對MOS管的發熱機理進行了理論分析和公式推導,給出了線性近似情況下的MOS管損耗計算公式。借助有限元分析對高溫環境下汽車電子冷卻風扇控制器MOS管進行了散熱仿真,仿真結果滿足熱設計指標要求。

  參考文獻:

  [1]陳平,張一軍,朱鐳.熱管在典型密封電子設備熱設計中的應用[J].航空計算技術,2010,40(04):83-85.

  [2]劉鵬.SiCMOSFET的隔離諧振驅動電路設計[D].東南大學,2017.

  [3]王毅.功率MOSFET的失效分析及其驅動設計[D].武漢理工大學,2014.

  [4]王翰祥,蔣棟.基于分立器件的SiCMOSFET功率模塊門極驅動電路設計[J].電工電能新技術,2018,37(10):51-57.

  [5]劉森.電鍍開關電源及其監控系統的研究與設計[D].江西理工大學,2012.

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