摘要：隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，使用電子冷卻風(fēng)扇替代傳統(tǒng)風(fēng)扇正成為一種發(fā)展趨勢。電子風(fēng)扇相較于傳統(tǒng)風(fēng)扇降低了發(fā)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(fā)熱量占主導(dǎo)地位的MOSFET的發(fā)熱機理并進(jìn)行了損耗的相關(guān)公式推導(dǎo)。在Icepak中搭建了冷卻風(fēng)扇和控制器的模型并在高溫條件下進(jìn)行有限元仿真分析。仿真結(jié)果顯示在設(shè)計最高環(huán)境溫度下MOSFET的溫度滿足要求。

　　關(guān)鍵詞：Icepak軟件;強迫風(fēng)冷;金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管

　　作者：楊鵬宏

　　汽車電子冷卻風(fēng)扇是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。大部分乘用車電子風(fēng)扇同時控制著水箱散熱片和空調(diào)散熱片，當(dāng)需要電子風(fēng)扇高速運轉(zhuǎn)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(dǎo)致壓力過高而停機，這會影響空調(diào)的正常運轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時還有可能導(dǎo)致車輛起火自燃等危險情況發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，55%的電子設(shè)備失效是由溫度過高引起的[1]。研究表明：半導(dǎo)體元件溫度提高10℃，其可靠性降低50%;對于電子設(shè)備，每降低1℃的溫度，故障率將下降4%。汽車電子冷卻風(fēng)扇采用將控制器置于風(fēng)道中的冷卻方式，通過散熱翅片與風(fēng)扇的配合達(dá)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(shù)》以反映電子信息技術(shù)領(lǐng)域的研究成果、技術(shù)動態(tài)，促進(jìn)學(xué)術(shù)交流，推動科技成果向社會生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化為宗旨，主要刊登電子信息領(lǐng)域具有創(chuàng)新性的研究、技術(shù)應(yīng)用論文及技術(shù)研究進(jìn)展的綜述。主要讀者對象是從事與電子信息技術(shù)研究、應(yīng)用有關(guān)的廣大科技工作者和高等院校師生。

　　1汽車電子風(fēng)扇的工作原理

　　汽車發(fā)動機冷卻液存在小循環(huán)和大循環(huán)兩種工作方式。當(dāng)發(fā)動機溫度較低時冷卻液不經(jīng)散熱器并以小循環(huán)方式通過發(fā)動機，這樣有助于發(fā)動機快速升溫至正常工作溫度。通過吸收來自發(fā)動機的熱量，冷卻液溫度升高。當(dāng)溫度達(dá)到閾值溫度后，旁通閥關(guān)閉，主閥打開，高溫冷卻液從發(fā)動機側(cè)流向散熱器，散熱器風(fēng)扇便會開啟，冷卻液的熱量將會借助風(fēng)扇散發(fā)到空氣中。風(fēng)扇控制器通過對ECU指令的解析，可以實現(xiàn)對風(fēng)扇的無極調(diào)速，從而達(dá)到精確控制溫升的目的。

　　2MOSFET的開關(guān)過程及發(fā)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(dāng)MOS管開始流過大電流時就可以說明G極電壓已經(jīng)達(dá)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(xù)增加，而VDS則保持不變。第三步，達(dá)到米勒平臺電壓VGS，Miller，此時負(fù)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(qū)。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(xù)增加，MOS管流過負(fù)載電流的能力持續(xù)增強。

　　MOS管最終的導(dǎo)通電阻由VGS的終值VDRV決定。通過對CGS和CGD的充電過程實現(xiàn)了上述這四個階段。當(dāng)電容器充放電時，因為導(dǎo)通電阻下降，因此VDS略有下降。MOS管關(guān)斷過程的描述基本上是導(dǎo)通過程的逆過程。四個時間階段中，MOS管在最高和最低阻抗?fàn)顟B(tài)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(qū)動電流的函數(shù)[3]。從中可以看出對于高速，高頻開關(guān)應(yīng)用而言，正確選擇器件和優(yōu)化柵極驅(qū)動器設(shè)計的重要性。MOS管數(shù)據(jù)手冊中列出了開通和關(guān)斷的延遲時間以及開關(guān)波形中上升和下降的時間[4]。遺憾的是，這些數(shù)字對應(yīng)于特定的測試條件和負(fù)載，從而使不同制造商之間的產(chǎn)品比較變得困難。此外，在實際應(yīng)用中，開關(guān)性能與數(shù)據(jù)表中給出的數(shù)字有很大不同。在實際應(yīng)用中MOS管的開關(guān)過程將不可避免的有損耗產(chǎn)生，特別是在高頻應(yīng)用中。

　　3數(shù)學(xué)模型

　　電子熱仿真模擬主要是利用計算機的數(shù)值計算來求解電子產(chǎn)品所處環(huán)境的流場，溫度場等物理場，屬于CFD的范疇。通過對CFD計算結(jié)果進(jìn)行分析，可以定向定量地指導(dǎo)工程師進(jìn)行結(jié)構(gòu)、電路方面的優(yōu)化設(shè)計，從而達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果。

　　4熱仿真分析

　　冷卻風(fēng)扇的主要作用是向汽車發(fā)動機水箱散熱，因此電機只需滿足單向轉(zhuǎn)動即可。電子風(fēng)扇控制器的工作性能和參數(shù)如下：系統(tǒng)額定功率：520W單個MOS管的發(fā)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(huán)境溫度最高105℃，器件最高溫度不超過150℃由于本系統(tǒng)負(fù)載為電機，驅(qū)動頻率過低會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動變大同時電機會發(fā)出噪聲，本系統(tǒng)將頻率設(shè)為15kHz。

　　為了減少發(fā)熱采用兩路MOSFET并聯(lián)使用的方式，兩路MOSFET并聯(lián)后減少了導(dǎo)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(shè)計了鋁合金材質(zhì)的散熱臺(導(dǎo)熱系數(shù)：155W/(m·℃))用于散熱，散熱臺與PCB板間采用導(dǎo)熱硅膠墊(導(dǎo)熱系數(shù)：3.0W/(m·℃))連接，厚度為0.8mm。

　　5結(jié)束語

　　本文對MOS管的發(fā)熱機理進(jìn)行了理論分析和公式推導(dǎo)，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(huán)境下汽車電子冷卻風(fēng)扇控制器MOS管進(jìn)行了散熱仿真，仿真結(jié)果滿足熱設(shè)計指標(biāo)要求。

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