大功率串勵(lì)直流電機(jī)控制器功率板散熱設(shè)計(jì)分析
王程，周漢義，王海華
(合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥230009)
摘要：在電機(jī)控制器的使用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)由于電機(jī)控制器本身的過(guò)熱保護(hù)，導(dǎo)致電動(dòng)叉車不能按時(shí)按量的完成工作，特別是在環(huán)境溫度較高的時(shí)候更是如此，從而嚴(yán)重影響了丁作進(jìn)度，為此，通過(guò)對(duì)電機(jī)控制器的重新設(shè)計(jì)改進(jìn)，以及其影響散熱的主要因素進(jìn)行考察，最終驗(yàn)證電路板銅箔厚度才是影響電機(jī)控制器散熱的最主要因素。
關(guān)鍵詞：散熱；功率板；電機(jī)控制器
中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1IlIl4—7018(2008)12—00n一02
O引 言
電動(dòng)叉車用電機(jī)是2．2～8 kw的大功率串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，其控制器采用模擬電路設(shè)計(jì)，已得到廣泛應(yīng)用。該控制器分為控制板和功率板兩部分。其中控制板中的溫度保護(hù)、短接保護(hù)等各種保護(hù)電路保證了電機(jī)控制器在惡劣的情況下可以正常工作，并且不會(huì)損壞電池或者電機(jī)；功率板則包括了電流限制的取樣電阻和反饋信號(hào)，最重要的是它承受著控制器幾乎全部的電流和熱量。如果功率板不能盡快地將熱量散去，將會(huì)導(dǎo)致控制器內(nèi)部溫度迅速上升，很快達(dá)到溫度保護(hù)電路的極限而進(jìn)行保護(hù)，從而使電動(dòng)叉車的使用效率大大降低，尤其在炎熱的夏天更是如此。然而，目前系統(tǒng)研究關(guān)于決定功率板散熱的主要因素和文獻(xiàn)較少。
根據(jù)當(dāng)前控制電動(dòng)叉車行走電機(jī)控制器中功率板的熱量如何及時(shí)散去的問(wèn)題，我們進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。由于電機(jī)控制器功率板正常工作狀態(tài)下的平均工作電流能達(dá)到上百安培，瞬時(shí)電流甚至可以達(dá)到600 A。在45～48 V的工作電壓下，大約有l(wèi)～2 kw的功率消耗在電路板上，功率板的散熱好壞決定了該控制器的質(zhì)量。我們通過(guò)對(duì)控制器不同條件下的實(shí)驗(yàn)，探討了功率板散熱的影響因素。
1影響功率板散熱的一些因素
1．1散熱底座
散熱底座放置的位置以及其與被放置的平臺(tái)所接觸的面積和良好程度決定了底座的散熱情況。另外，芯片與底座的接觸是否良好也決定著最終散熱的好壞。
1．2功率管的選擇
常用的功率管有IRF3710、IRFB4710、IRFB4310。其中，IRF3710和IRFB47lO是專用的電機(jī)控制器MOsFET管。這三種芯片的主要區(qū)別如表1所示。
根據(jù)芯片資料的對(duì)比分析，得出的結(jié)論是，IRFB4310在所能承受****電流方面明顯優(yōu)于IRF3710和IRFB4710，但是在隨管殼溫度升高的過(guò)程中，其所能承受的****耗散功率也下降得非常迅速。
1．3電路板銅箔厚度
銅箔的厚度對(duì)于電路板本身所能承受的電流和熱量的大小起到?jīng)Q定性的作用。最常用的銅箔厚度在18μm，較厚的大約在75μm。而針對(duì)控制器中的大電流和大功率的問(wèn)題，我們采用了多種銅箔的厚度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。
2實(shí)驗(yàn)過(guò)程(400A，48V規(guī)格的控制器)
根據(jù)對(duì)電機(jī)控制器的規(guī)格要求，在正常情況下，控制器的平均輸入電流應(yīng)該可以保持在100 A(環(huán)境溫度25℃)左右并持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。而****電流時(shí)候(平均輸入電流為200 A)則持續(xù)時(shí)間很短，即控制器內(nèi)部溫升很快，迅速到達(dá)溫度保護(hù)電路中設(shè)定的85℃。
實(shí)驗(yàn)就是依據(jù)這樣一個(gè)工作標(biāo)準(zhǔn)，使用不同的功率管和電路板的不同銅箔厚度，通過(guò)對(duì)控制板電位器的調(diào)節(jié)，改變PwM信號(hào)的占空比控制其工作電流的大小，以測(cè)試其是否可以滿足規(guī)格要求，以及在功率板工作中，影響其散熱良好程度的因素。
2．1芯片采用IRF3710／IRFB4710／IRFB4310，銅箔厚度為175μm，保持環(huán)境溫度25℃
從圖1中可以看到，在保持室溫25℃，銅箔厚度為175μm，整機(jī)持續(xù)工作的情況下，IRFB4710的承載電流明顯比IRF3710大，而IRFB4310所能承載的長(zhǎng)時(shí)間工作電流則最小。這可能是因?yàn)镮RFB43lO管芯所能承受的耗散功率隨管殼溫度每升高1℃降低2 2w，而IRF3710／IRFB47lO則每升高1℃降低1．3／1．4 w，即隨著芯片溫度的升高，IRFB4310的帶載能力也明顯下降，管芯溫度迅速上升，使得整機(jī)達(dá)到設(shè)定的保護(hù)溫度從而停止工作。對(duì)比IRF3710／IRFB47lO則因?yàn)槠涔苄舅艹休d功率隨溫度升高而發(fā)生的變化相差不大，綜合導(dǎo)通內(nèi)阻和****漏極電流的因素，使得IRFB4710的持續(xù)工作時(shí)間比IRF37lO明顯有所提升。
| 
