[發明專利]一種高功率密度集成PCU模塊及其液冷設計方法

有效

• 申請號: 202011332437.7
• 申請日: 2020-11-24
• 公開（公告）號: CN112437593B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 楊樹;張茂盛;盛況
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H05K7/20
• 分類號: H05K7/20
• 代理公司: 杭州裕陽聯合專利代理有限公司 33289
• 代理人: 田金霞

公開了一種高功率密度集成PCU模塊及其液冷設計方法，包括液冷散熱器結構設計和液冷參數優化方法。所述液冷設計方法解決PCU功率模塊因高集成度導致的PCU模塊內部局部功率芯片的過熱問題，實現高功率密度集成PCU模塊的優化散熱。

技術領域

本發明涉及電子電路，尤其涉及一種高功率密度集成PCU模塊及其液冷設計方法。

背景技術

高集成度已成為純電動汽車(electrical vehicle，EV)或者混合動力電動汽車電控(hybrid electrical vehicle，HEV)系統功率控制單元(power control unit，PCU)模塊發展的主流趨勢。PCU模塊的高集成度發展趨勢主要體現在兩個方面，一是更多的電路變換功能模組被集成到同一個模塊，另外一個就是更多的部件被集成到同一個模塊。

對于插電混合動力汽車的PCU模塊而言，更多的電路變換功能模組被集成到同一個模塊內部在業界也有一些典型的例子，比如豐田汽車第一代Prius使用的PCU模塊，模塊內部集成了電動機驅動和發電機的電路變換功能模組，但是發展到第二代Prius時，boost升壓的電路變換功能模組也被集成進了PCU模塊內部。

模塊內部更多部件的集成意味同一個模塊內部除了芯片種類和數量的增加外其他的一些部件比如液冷散熱器、電容、電感或者電流傳感器等也會被集成到一起，然后再被一體封裝成型。

HEV電控系統內部PCU模塊與其他部分的連接是通過模塊的功率電極、輸入輸出端子以及液冷散熱器出水口和入水口實現的。對于一個給定的HEV電控系統，這些接口的位置是固定的，接口之間相對位置的固定給PCU模塊各部件的集成施加了嚴苛的限制。PCU模塊電路變換功能模組之間電流等級的不一致，也造成PCU模塊電路變換功能模組內部的基本功率變換單元所采用的功率芯片的尺寸和并聯數存在不一致。此外，同一個基本功率單元內部也會因為橋臂之間通過DBC走線實現互連時造成功率芯片在上橋和下橋的DBC結構上的布局出現不完全一致的特點。這些都是高功率密度集成PCU模塊內部功率芯片熱阻在不同的電路變換功能模組之間以及在同一個基本功能變換單元內部的上橋和下橋之間存在差異的根本原因。

現有的液冷參數優化僅僅基于功率芯片結溫限制的冷卻液最高溫度和最高壓力的優化設計準則，現有的冷卻液流速優化并不會考慮高功率密度集成PCU模塊功率芯片相互之間獨特的熱阻特性，這使得設計出的冷卻液流速偏離最佳值。流速過高會額外增加散熱的成本，流速過低又存在局部功率芯片過熱的風險。另外，因為沒有考慮PCU模塊的熱阻的差異性，液冷散熱器腔體內部的冷卻液流動空間設計在不同區域也沒有做相應的優化調整，這也會導致模塊局部芯片過熱風險增高。因此，現有的液冷設計無法有效的應對PCU模塊因高功率密度集成造成的熱阻特性不一致的現狀，使得設計的液冷參數的要么過于嚴苛要么過于松懈。

發明內容

為了解決上述現有技術的一個或多個技術問題，本發明針對高功率密度集成PCU模塊的散熱提出了一個新的方法。該方法將PCU模塊內部功率芯片熱阻差異這種獨特的熱特性集成進PCU模塊的設計，提出了一個基于熱阻差異性特征的高功率密度PCU模塊的液冷設計方法。