永磁电机IPM散热研究

吴文贤 高明世 李 宁

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

永磁电机以其效率高，调速范围广、噪声低等一系列优点在家用空调、家用净化器、油烟机、洗碗机等家用领域普及使用。

功率模块是永磁电机控制器核心器件，其电流导通能力及工作稳定性关系到电机工作功率范围及使用寿命。影响功率模块最大工作电流及可靠性最大因素是芯片晶元结温。结温越高，芯片导通电流越小。电机使用环境是间隔工作模块，模块长期在此高—低温工作，出现芯片内部材料热胀冷缩，导致器件可靠性下降，使用寿命大幅降低。

本文采用控制器与电机本体一体化结构设计，将控制器安装在电机内腔凸台或骨架上，保持合理尺寸，让控制器的模块与电机端盖紧密接触，利用电机端盖对IPM 模块散热。采用此种安装结构，比控制器单独放在电机外面有明显优势，一方面是电机可以利用自身旋转产生的风流为模块散热，加快模块热量散发；另一方面模块利用电机端盖进行散热，无需额外增加散热器，成本低廉；同时控制器自带有感应温度功能，安装在电机内腔能实时感应到电机内部工作环境温度，控制器可以根据电机工作温度实时调节工作电流，避免电机出现过载、超负荷运行损坏。

通过试验测试及大批量应用数据: 本文提出的创新方法，模块散热效果优良，电机可靠性高，适用型强。

1 IPM 模块散热

1.1 热量产生原因

IPM 模块在工作时，芯片的MOSFET/IGBT以较高频率反复开关、导通，而开关、导通过程存在电流电压重叠区域，从而产生开关损耗，同时MOSFET存在导通电阻、IGBT存在导通压降，在电流流过时产生导通损耗。此两方面损耗能量转化成热量，导致使功率模块晶元温度升高。电机端盖主要作用之一是将模块产生热量迅速导出，通过表面辐射到周围环境，让模块表面温度冷却下来。加快模块散热，主要任务是提供较低热阻通道，让模块热量迅速传递到端盖表面。

1.2 散热方式

功率模块与端盖之间存在间隙，无法有效把模块热量传递到端盖。本论文通过采用导热介质，让模块与电机端盖紧密接触。电机端盖通常为铝合金型材，模块热量通过导热介质传导到电机端盖，端盖温度越高，热辐射就越强，模块散热效果就越高，同时流经电机气流带走端盖大量的热量，模块散热效果进一步加强。

1.3 导热介质

导热介质分为导热硅胶和导热垫片。导热硅胶成本低廉，在未凝固前流动性好，受力会自然扩散，避免出现控制器受应力应变损伤，采用导热硅胶适应机型广，通用型强，但一般导热系数不高。

导热垫片一边具有较高导热系数，导热性能较好，生产工艺简单，效率高，现阶段逐步在电机行业应用，有代替导热硅胶趋势。但由于导热垫片属于固体，受力无法自由流通，从而把受到应力传递到控制器，导致PCB板变形，严重导致片状器件断裂损坏。所以使用导热垫片需要对电机压盖做应力应变测试，同时需要针对模块外形进行定制。

导热介质的导热系数越大，导热能力就越强，同等电流下，功率模块的晶元温度就越低。在实际应用中，选择导热介质导热系数，需确保在恶劣的外部条件下，功率模块的结温度不超过允许最大值，并预留一定裕量。

2 模块结温计算方法

IPM结温测试需通过厂家提供特殊样品，即在模块的IGBT/MOS晶元布置热电偶。此方式样品提供难度大，周期长。

实际产品开发评估模块结温是否超标，一般通过测试模块表面温度，理论计算模块工作损耗，结合模块热阻推算晶元结温。模块损耗分为开关损耗及导通损耗。

本论文以三垦模块SIM6812（MOSFET型）与SIM6822（IGBT型）为例，其他模块计算原理基本一样。

2.1 导通损耗

IGBT的VCE(sat)电压或MOSFET导通电阻的VDS电压与导通电流可以用图1近似表示。从图1看以看出，IGBT随电流增大，IGBT的VCE(sat)电压变化不大，而MOSFET导通电阻电压随电流增大而变化较大。

图1 导通电压及导通电流关系

式中：

Pcond —功率模块的导通损耗功率；

VCEsat—IGBT的 漏源极饱和电压；

VDS—MOSFET的导通电阻之间电压；

IC—IGBT或MOSFET的导通电流。

由图1可以看出，当电流大0.6 A时，MOSFET的导通损耗大于IGBT。因为此特性差异，一般大电流应用领域采用IGBT型的模块，小电流应用MOSFET型模块。

2.2 开关损耗

功率模块在开通和关断过程，MOSFET或IGBT的漏源极之间存在较大压降，在电压和电流重叠区引起损耗。

功率模块开通及关断过程损耗能量：

式中:

EON—模块的开通损耗；

EOFF—模块的关断损耗；

Vce—MOSFET或IGBT的漏源极压降；

IC—MOSFET或IGBT开通或关断时电流；

PSW—模块的开关损耗能量；

Fsw—模块的开关频率。

由公式（2）及图2可以看出，模块的开关损耗与导通电流大小有关，电流越大，模块开关损耗就越大。

图2 开关损耗

由公式（3）可以看出，模块开关损耗与开关频率成正比关系，频率越高，损耗越大。在实际应用中，开关频率在避开音频敏感区，尽量选取低频，以减少功率模块损耗。

2.3 功率模块的结温计算

根据模块的规格书或厂家提供的损耗计算工具，可以计算模块工作损耗。然后根据公式（4）、（5）可以计算出模块晶元温度：

式中：

ΔTjc—模块的壳与结之间温差；

Rth—模块的热阻；

Tj—模块的晶元的温度；

Ta—模块的工作环境温度。

以三垦厂家的SIM622与SIM6812为例，两款模块都工作在相同条件下，从图3、图4可以看出，当导通电流≥0.5 A rms时，SIM6822模块晶元结温与SIM6812相当，使用IGBT型模块略有优势。当导通电流高达1 A rms时，MOSFET型模块结温已超过模块最大允许值，而IGBT型模块结温仍在模块允许工作范围内，在此条件下，使用IGBT类型模块优势明显。

图3 0.5 Arms下损耗及温升

图4 1 Arms下损耗及温升

在模块及电机结构确定后，模块热阻、端盖热阻就无法再改变。当在实际项目应用中，如模块结温超标时，可以通过更换更大规格模块或改善电机散热环境，如让流动气体尽可能度流经电机，让模块产生热量尽快散发。但这涉及到整机结构更改或控制器重新设计，成本浪费高，周期长。

为了有效解决模块温升问题，本文提供一种思路，通过更改模块与端盖之间介质的导热系数，迅速降低模块温升。如当前项目采用通用导热系数为0.8的导热硅胶 ，如需要进一步降低模块温升，可以采用高一规格的导热系数导热介质。

3 实验验证

在正常工作条件下，以凯邦电机其中一款商用电机为例，该电机额定输入功率为200 W，转速在1 800 rpm。控制器主电路采用三相全桥IGBT型的 IPM模块，算法采用空间矢量FOC控制，7段式调制，开关频率为20 kHz。

在此条件下功率模块工作时所产生热损耗的计算结果如表 1。

表1 模块工作损耗

假设模块表面温度100 ℃，根据 公式（4）、（5），公式中的可计算出模块结温高达141 ℃，无法满足应用要求，需把模块表面温度降低到84 ℃，即表面温度降低△ 16 ℃。

在电机结构、控制器定型后，模块温升超标，为了实现温度下降，除了可以更换成PIN TO PIN大一规格IPM或更改成大电流类型IPM外，如MOS更换成IGBT型实现温度下降。还可以通过选择更高导热系数，此整改方法成本低，开发周期短，成效明显。

在同样测试工况下，使用不同系数导热垫片，IPM表面温升如图5。

图5 不同导热垫片模块表面温度

4 结论

1）本文将模块及电机结构结合一体，研究了模块温升产生机理及热量消散方式及改善措施。

在电流小于0.5 A rms应用领域，使用MOSFET类型在温升、成本方面有一定优势；在电流大于1 A rms应用领域，使用IGBT类型在温升方面有较大优势。

控制器内置到电机，不仅可以无需外置散热器、密封性好，同时可以利用风道加快模块散热效果，成本低，可靠性高。

2）从理论分析及实际验证，在其他条件不变情况下，模块表面、晶圆的温升随着导热介质的导热系数增大而降低。

使用此方式，可以根据不同负载环境使用不同导热系数散热垫片，电机通用性强，开发周期短，可以迅速实现大批量生产，可靠性高，风险可控性好。