介绍
当前，为鼓励节能减排，我国将新能源汽车作为重点扶持的新兴产业，发展新能源汽车已成为保障能源安全、转变低碳经济的重要途径。作为新能源电动汽车三大核心技术之一，控制器未来的发展趋势是高功率密度、高集成度和轻量化。
为了实现高功率密度，电机控制器通常采用电力电子模块集成技术和模块化设计理念。元器件高度集成，进行大功率、大功率密度驱动电机控制器的产品优化和集成设计。控制器中的功率模块是提高功率密度的关键器件。随着新能源汽车大功率、小型化的发展，功率模块也呈现出高能小型化的趋势。功率密度更高的模块需要散热能力更强的散热。结构体。车辆及控制系统大多采用水冷方式，因此高功率密度控制器的散热对控制器的可靠运行非常重要，
针对新能源汽车电机控制器的高功率密度要求，本文采用双面焊接和单面散热的IGBT，开发了一种高集成度、高功率密度的电机控制器，并着重于电机控制器的结构和硬件设计。控制器。设计了控制器的冷却方案，并进行了水道热力仿真研究。最后，对该控制器的样机进行了试制，并对台架的性能进行了测试。从测试验证中可以看出，开发的电机控制器性能优异，体积功率密度可达23.1kW/L，满足设计指标要求。
一、结构设计及电气原理
为了实现高功率密度，充分利用控制器的内部体积，同时兼顾组装和制造的简单性，本文开发的控制器主要通过研究高封装来实现功率元件IGBT模块、驱动电路、薄膜电容、高效散热片的集成。直焊互联的一体化设计和焊接工艺为电机控制器在车辆高温、高湿、振动等复杂环境条件下的可靠性提供了保障，同时提高了电机的功率密度水平控制器。本文设计的控制器内部结构分解图如图1所示。
图 2 显示了本文设计的控制器的内部模块级集成组件。控制器采用单面散热IGBT模块的双面焊接，薄膜电容端子通过电阻焊连接到IGBT模块的直流端、IGBT模块的交流端和三相铜排过程。装置直接粘接一体化，避免了大量螺栓的使用，实现了连接可靠性和空间利用率的提高，使结构布局更加紧凑，进一步提高了功率密度。
同时从图2可以看出，水道盖板与水冷板之间采用搅拌摩擦焊工艺焊接，实现盖板与水冷焊缝处的固相连接。板，避免使用大量螺栓，改进了控制器。内部空间比也保证了水道的水密性，实现了同等功率级别的控制器小型化。基于直焊互联工艺技术路线，本文研制的控制器样机功率密度达到23.1kW/L，峰值功率为125kW。集成度和性能水平可与国外同类量产产品媲美。
电机控制器框图如图3所示。电机控制器的控制系统工作在12V供电网络下，通过CAN网络与车辆通信。控制器功率部分的逆变单元可以将直流电转换成交流电输入到永磁同步电机。控制器内成熟的底层配置 配合软件算法、采样电路和保护电路汽车散热器设计计算，使电机控制器工作稳定可靠。
2. IGBT模块和薄膜电容器
2.1 IGBT模块 本文设计的控制器采用扁平双面焊接单面散热IGBT模块，如图4(a)所示。IGBT的电压为750V，电流为800A。IGBT模块的体积比传统的IGBT大。体积小，模块内部芯片采用双面焊接结构设计，功率模块热阻远小于平面结构。同等条件下，功率模块的输出能力大大提高，功率密度提高。
图 4(b) 显示了 IGBT 模块的双面焊接结构。芯片背面焊接非对称结构DBC，芯片正面焊接铜片结构正面。外部电源极和信号极通过引线框快速方便地引出，减少了内部的铝线键合工艺，降低了模块本身的杂电感，提高了IGBT模块电气连接的可靠性。图4（c）显示了双面焊接的真实对象。这种全新的IGBT封装工艺，取消了键合线工艺，使结构振动更加可靠，并可大大节省控制器内部空间。
2.2 薄膜电容为了降低模组与电容之间的寄生电感，改善模组与电容之间的连接空间，缩短模组与电容之间的连接线，研究了电容与电容之间的连接技术。电源模块被执行。为了进一步降低电路所需薄膜电容器的额定电压和容量，同时提高电容器的耐电流水平，从而达到减小电容器体积的目的，通过比较研究，最终采用电阻焊工艺的连接方式。图 5 为本文设计的控制器薄膜电容器的结构示意图。
为了进一步确认薄膜电容器在减小电容体积和提高电感后的热可靠性，需要对薄膜电容器进行进一步的热仿真分析。根据控制器的运行环境条件，将薄膜电容的底面温度设置为80℃，环境温度设置为85℃，利用仿真软件对薄膜电容进行热仿真。
薄膜电容器的热模拟结果如图6所示。模拟结果表明，薄膜电容器的热量主要集中在母线侧和薄膜电容器的上侧。热点区域最高温度98.2℃，比芯膜最高耐温低105℃，满足长期耐温要求。.
3、散热结构设计与仿真 IGBT模块在运行状态下会产生大量的热损失。需要采用相应的散热结构，增加热交换面积，带走模块产生的热量。本文设计的控制器功率模块由水平放置在散热基板上的3个IGBT模块组成。需要在IGBT和基板之间涂抹导热硅脂填充间隙，然后用压板将模块压在散热基板上。散热底板背面设计有冷却水通道，如图7(a)所示。冷却液从入口流入控制器的冷却水通道。水道内有间隔分布的云状散热片。当冷却液流入时，云状散热翅片可以分流，增加有效热交换面积，降低热阻。影响。冷却液带走IGBT产生的热量，最后通过冷却水通道的出口流入驱动电机，从而达到冷却整个系统的目的。
考虑到高温会缩短 IGBT 的寿命，并可能降低整个控制器在使用过程中的可靠性，控制器需要对冷却系统（水道）进行可靠性分析。仿真软件计算了IGBT在不同工况下的最高温度以及后续样机的验证分析。散热仿真结果如图7(b)所示。可以看出，模块峰值工作状态下芯片最高温度为131.05℃，IGBT模块长期稳定工作的耐温为150℃，在使用范围内要求。
4、在台架试验中，为保证电机控制器在整车不同工况下能够平稳运行，同时使控制器具有经济适用性，将所设计的控制器制作成样机，进行系统对系统进行性能测试，并测试系统性能。控制器效率在冷却液温度设置为 65°C 的情况下进行了测试。
4.1 系统性能测试 控制系统的外部特性如图8所示。根据测试图，在峰值功率125kW、峰值扭矩300N·m的工况下，控制系统输出稳定，没有大的波动.
本文设计的电机控制器效率MAP和系统效率MAP的测试结果如图9所示。从图9可以看出，在电气条件下，控制器的最大效率为97.82%，最大效率系统占94.69%；发电工况下，控制器最高效率为98.23%，系统最高效率为94.83%；控制器效率大于90%。高效区占比84.66%，系统效率大于80%的高效区占比83.56%。
4.2 温升测试 当功率密度提高时，IGBT产生的热量也迅速增加，因此需要注意IGBT本身的温升效应。控制器进行温升试验。测试结果如图10所示。峰值工况下，模块内部温度传感器的最高温度为95℃。因此，IGBT芯片的最高温度不会超过120℃，低于IGBT芯片。芯片结温150℃，可长时间工作。
5. 结论 本文通过结构、硬件理论设计、有限元仿真和实验验证相结合，开发了一种控制器。电机控制器高效区（η>90）占84.86%，系统高效区（η>90）占84.86%。80）占比83.56%汽车散热器设计计算，可稳定输出峰值功率125kW，峰值扭矩300N·m。本文设计的电机控制器功率密度可达23.1kW/L，为新能源汽车电机控制器提供了有效的设计方案。
