电子风扇控制器中MOSFET的热分析

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　　摘  要：随着汽车电子技术的发展，使用电子冷却风扇替代传统风扇正成为一种发展趋势。电子风扇相较于传统风扇降低了发动机的功率损失及低温条件下的磨损程度。文章分析了在功率器件中发热量占主导地位的MOSFET的发热机理并进行了损耗的相关公式推导。在Icepak中搭建了冷却风扇和控制器的模型并在高温条件下进行有限元仿真分析。仿真结果显示在设计最高环境温度下MOSFET的温度满足要求。
　　关键词：Icepak软件;强迫风冷;金属-氧化物半导体场效应晶体管
　　中图分类号：TN602         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）11-0027-03
　　Abstract： With the development of automotive electronics technology， electronic cooling fans have become a trend to replace traditional fans. Compared with traditional fans， electronic fans reduce engine power loss and abrasion at low temperatures. This article analyzes the heating mechanism of the dominant MOSFET that generates heat in power devices and derives the relevant formula for loss. Models of cooling fans and controllers were established in Icepak and finite element simulation analysis was performed under high temperature conditions. The simulation results show that the temperature of the MOSFET meets the requirements at the designed maximum temperature.
　　Keywords： Icepak software; forced air cooling; MOSFET
　　汽車电子冷却风扇是汽车冷却系统的关键部件之一。大部分乘用车电子风扇同时控制着水箱散热片和空调散热片，当需要电子风扇高速运转时，如果它不能正常工作，水箱里的温度就会偏高，同时压缩机也会因散热困难导致压力过高而停机，这会影响空调的正常运转，严重时还有可能导致车辆起火自燃等危险情况发生。据统计，55%的电子设备失效是由温度过高引起的[1]。研究表明：半导体元件温度提高10℃，其可靠性降低50%;对于电子设备，每降低1℃的温度，故障率将下降4%。汽车电子冷却风扇采用将控制器置于风道中的冷却方式，通过散热翅片与风扇的配合达到有效抑制MOS管温升的效果。
　　1 汽车电子风扇的工作原理
　　汽车发动机冷却液存在小循环和大循环两种工作方式。当发动机温度较低时冷却液不经散热器并以小循环方式通过发动机，这样有助于发动机快速升温至正常工作温度。通过吸收来自发动机的热量，冷却液温度升高。当温度达到阈值温度后，旁通阀关闭，主阀打开，高温冷却液从发动机侧流向散热器，散热器风扇便会开启，冷却液的热量将会借助风扇散发到空气中。风扇控制器通过对ECU指令的解析，可以实现对风扇的无极调速，从而达到精确控制温升的目的。
　　2 MOSFET的开关过程及发热分析
　　MOSFET的开通电路示意图如图1所示，开通过程如图2所示。过程可以分为四个阶段：
　　第一步，MOS管的栅源极电压被充至阈值电压，在这个阶段CGS和CGD电容器吸收的电流有所不同，绝大部分都流入了CGS。当MOS管开始流过大电流时就可以说明G极电压已经达到VTH。
　　第二步，栅极电压从阈值电压升高到米勒平台电压VGS，Miller。随着VGS的不断提升，此时栅端电流的流向和之前保持一致。在输出端，漏电流持续增加，而VDS则保持不变。
　　第三步，达到米勒平台电压VGS，Miller，此时负载电流可以完全通过MOS管，此时，漏极电压开始降低。但VDS基本保持不变，这是因为栅极电压波形中的米勒平台区。因为受到外部电路的限制，所以漏极电流ID保持恒定[2]。
　　第四步，栅极电压继续增加，MOS管流过负载电流的能力持续增强。MOS管最终的导通电阻由VGS的终值VDRV决定。
　　通过对CGS和CGD的充电过程实现了上述这四个阶段。当电容器充放电时，因为导通电阻下降，因此VDS略有下降。
　　MOS管关断过程的描述基本上是导通过程的逆过程。四个时间阶段中，MOS管在最高和最低阻抗状态之间切换。四个时间阶段的长短是寄生电容值，电容两端的电压以及栅极驱动电流的函数[3]。从中可以看出对于高速，高频开关应用而言，正确选择器件和优化栅极驱动器设计的重要性。
　　MOS管数据手册中列出了开通和关断的延迟时间以及开关波形中上升和下降的时间[4]。遗憾的是，这些数字对应于特定的测试条件和负载，从而使不同制造商之间的产品比较变得困难。此外，在实际应用中，开关性能与数据表中给出的数字有很大不同。
　　在实际应用中MOS管的开关过程将不可避免的有损耗产生，特别是在高频应用中。
　　损耗主要分为两类：栅极驱动损耗和开关损耗。在这两种损耗中比较简单的是栅极驱动装置的损耗。启动或关断MOS管涉及电容的充电和放电。当电压为电容两端充电时，一定数量的电荷会被转移，在经历前述四个阶段过程后，栅极电压从0V升高到实际驱动终值电压VDRV。栅极充电损耗PGATE可通过式1计算： 　　（1）
　　fDRV是栅极驱动频率，在大多数情况下它等于开关频率。
　　除了栅极驱动功率损耗之外，由于在MOS管中同一时刻存在较大电流和较高电压的交越现象，所以会产生开关损耗[5]。为了保证开关损耗最小，该时间段理论上来说越短越好。从MOS管的开关过程来看，无论是开通还是关断，该阶段均出现在阶段2，3中。这段时间间隔对应着栅极电压变化从VTH到VGS，Miller期间MOS管的线性工作过程以及漏极电压经历开关切换时的米勒平坦区域。
　　MOS管开关损耗的粗略估算可以使用阶段2、3中栅极驱动电流、漏极电流和漏极电压波形的线性近似[6]。阶段2和阶段3中栅极驱动电流为：
　　假定以IG2对器件的输入电容从VTH到VGS，Miller充电，IG3是CRss电容的放电电流，开关时间的近似计算公式为：
　　在t2阶段，D极电压为VDS（off），并且电流从0A上升到负载电流IL，而在t3阶段，D极电压从阶段2结束时的VDS（off）下降到接近0V。同样使用近似线性估算各个时间段内的功耗为：
　　这里T指的是开关周期，整个开关损耗是两部分的总和，简化表达式如下：
　　尽管开关过程很好理解，但想精确地计算开关损耗却很难，因为寄生的感性元件会在改变电流和电压波形以及开关切换过程中的时间。
　　3 数学模型
　　电子热仿真模拟主要是利用计算机的数值计算来求解电子产品所处环境的流场，温度场等物理场，属于CFD的范畴。通过对CFD计算结果进行分析，可以定向定量地指导工程师进行结构、电路方面的优化设计，从而达到最优的设计结果。流体连续性方程可以通过CFD分析获得：
　　动量守恒方程X方向：
　　Y方向：
　　Z方向：
　　u、v、w分别是X、Y、Z方向的速度，Su、Sv、Sw是广义源项。对电子设备来说，强迫冷却是通过外部原因产生的压力差作用，使得流体进行流动，冷流体与电子设备内的器件进行热量交换，冷却电子设备以确保设备在合理的温度范围内正常工作。通常，当电子器件的热流密度超过0.08W/cm2或体积热流密度超过0.18W/cm3时，强迫冷却可用于电子器件的散热[7]。
　　4 热仿真分析
　　冷却风扇的主要作用是向汽车发动机水箱散热，因此电机只需满足单向转动即可。电子风扇控制器的工作性能和参数如下：
　　系统额定功率：520W
　　单个MOS管的发热功率：3W
　　额定电压：13V;工作电压范围：9-16VDC
　　元器件等级：AEC-Q100/200
　　耐久性能：测试环境温度最高105℃，器件最高温度不超过150℃
　　由于本系统负载为电机，驱动频率过低会导致转矩脉动变大同时电机会发出噪声，本系统将频率设为15kHz。为了减少发热采用两路MOSFET并联使用的方式，两路MOSFET并联后减少了导通电阻。
　　在绘制电路板时，将MOSFET布置在周围器件少的地方，并专门设计了鋁合金材质的散热台（导热系数：155W/（m·℃））用于散热，散热台与PCB板间采用导热硅胶垫（导热系数：3.0W/（m·℃））连接，厚度为0.8mm。电子冷却风扇散热翅片实物如图3和图4所示。
　　根据风量测试台生成的风量曲线在ANSYS Icepak绘制风压风量的P-Q曲线。Icepak通过系统的阻力及风机的P-Q曲线计算，得到内部风机给系统提供的压力和流量，即风机的真实工作点。
　　采用六面体占优网格类型划分网格，PCB板与导热硅胶垫单独进行网格细化。环境温度设为105℃，考虑传导、对流和辐射三种传递方式散热风速及温度分布云图如图5和图6所示，MOS管的最高温度为120.739℃，未超过允许设计最高温度150℃，因此散热设计满足规格要求。
　　5 结束语
　　本文对MOS管的发热机理进行了理论分析和公式推导，给出了线性近似情况下的MOS管损耗计算公式。借助有限元分析对高温环境下汽车电子冷却风扇控制器MOS管进行了散热仿真，仿真结果满足热设计指标要求。
　　参考文献：
　　[1]陈平，张一军，朱镭.热管在典型密封电子设备热设计中的应用[J].航空计算技术，2010，40（04）：83-85.
　　[2]刘鹏.SiC MOSFET的隔离谐振驱动电路设计[D].东南大学，2017.
　　[3]王毅.功率MOSFET的失效分析及其驱动设计[D].武汉理工大学，2014.
　　[4]王翰祥，蒋栋.基于分立器件的SiC MOSFET功率模块门极驱动电路设计[J].电工电能新技术，2018，37（10）：51-57.
　　[5]刘森.电镀开关电源及其监控系统的研究与设计[D].江西理工大学，2012.
　　[6]马婷.SiC功率器件特性及其在逆变器中的应用研究[D].南京航空航天大学，2013.
　　[7]于春生，苏娟.电柜的热设计[J].才智，2011（03）：61.
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