北京永光高特微電機有限公司
Beijing  YongGuang  Micro-Motor  Manufacturing  Co.,Ltd.
 
新聞詳情

大功率串勵直流電機控制器功率板散熱設計分析

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:2948

   摘要:在電機控制器的使用過程中,經常會由于電機控制器本身的過熱保護,導致電動叉車不能按時按量的完成工作,特別是在環境溫度較高的時候更是如此,從而嚴重影響了工作進度,為此,通過對電機控制器的重新設計改進,以及其影響散熱的主要因素進行考察,最終驗證電路板銅箔厚度才是影響電機控制器散熱的最主要因素。

0  引言

   電動叉車用電機是2.2~8 kW的大功率串勵直流電動機,其控制器采用模擬電路設計,已得到廣泛應用。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、短接保護等各種保護電路保證了電機控制器在惡劣的情況下可以正常工作,并且不會損壞電池或者電機;功率板則包括了電流限制的取樣電阻和反饋信號,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,將會導致控制器內部溫度迅速上升,很快達到溫度保護電路的極限而進行保護,從而使電動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.目前系統研究關于決定功率板散熱的主要因素和文獻較少。

   根據當前控制電動叉車行走電機控制器中功率板的熱量如何及時散去的問題,我們進行了一系列的實驗。由于電機控制器功率板正常工作狀態下的平均工作電流能達到上百安培,瞬時電流甚至可以達到600 A。在45~48 V的工作電壓下,大約有l~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量。我們通過對控制器不同條件下的實驗,探討了功率板散熱的影響因素。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、IRFB43lO。其中,IRF3710和IRFB4710是專用的電機控制器MOSFET管。這三種芯片的主要區別如表1所示。

表1  三種芯片的性能比較

   根據芯片資料的對比分析,得出的結論是,IRFB43lO在所能承受最大電流方面明顯優于IRF3710和IRFB4710,但是在隨管殼溫度升高的過程中,其所能承受的最大耗散功率也下降得非常迅速。

1 3電路板銅箔厚度

   銅箔的厚度對于電路板本身所能承受的電流和熱量的大小起到決定性的作用。最常用的銅箔厚度在18μm,較厚的大約在75 μm。而針對控制器中的大電流和大功率的問題,我們采用了多種銅箔的厚度進行實驗對比。

2實驗過程(400A,48V規格的控制器)

   根據對電機控制器的規格要求,在正常情況下,控制器的平均輸入電流應該可以保持在100 A(環境溫度25℃)左右并持續較長的時間。而最大電流時候(平均輸入電流為200 A)則持續時間很短,即控制器內部溫升很快,迅速到達溫度保護電路中設定的85℃。

   實驗就是依據這樣一個工作標準,使用不同的功率管和電路板的不同銅箔厚度,通過對控制板電位器的調節,改變PWM信號的占空比控制其工作電流的大小,以測試其是否可以滿足規格要求,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175μnm,保持環境溫度25℃

   從圖1中可以看到,在保持室溫25℃,銅箔厚度為175 μm,整機持續工作的情況下,IRFB4710的承載電流明顯比IRF37lO大,而IRFB4310所能承載的長時間工作電流則最小。這可能是因為IRFB4310管芯所能承受的耗散功率隨管殼溫度每升高1℃降低2.2 W,而IRF3710/IRFB4710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,使得整機達到設定的保護溫度從而停止工作。對比IRF3710/IRFB4710則因為其管芯所能承載功率隨溫度升高而發生的變化相差不大,綜合導通內阻和最大漏極電流的因素,使得IRFB4710的持續工作時間比IRF3710明顯有所提升。

    圖1功率管對持續工作時間的影響

   由以上實驗我們可以得出,功率管本身并不是影響功率板散熱的主要因素。

2.2采用不同的銅箔厚度,相同的功率管進行實驗

2.2 .1同樣的芯片IRF3710,分別采用18μm和150μm的銅箔厚度,環境溫度為30℃

   從圖2中,我們可以明顯地看到,銅箔厚度達到150μm的實驗數據明顯要比銅箔厚度只有18μm的數據好很多。在工作電流100 A時,150μm的控制器的工作時間比18μm的控制器提高了一半多,并且在100 A以下時,甚至都可以連續工作幾個小時都不會到達溫度保護電路中限定的溫度。

   圖2銅箔厚度對持續工作時間的影響

2.2.2同樣的芯片IRFB4310,分別采用50μm和

175μm的銅箔厚度,環境溫度25℃

   從圖3中同樣可以看到,在功率管相同、環境溫度相同的情況下,175 μm銅箔厚度的實驗數據明顯比50μm的數據好很多。在銅箔厚度為50μm工作電流為140 A的情況下,[RFB4310只工作了25min便達到了溫度保護設定的溫度,而175 μm的銅箔厚度下,卻可保持140 A的工作電流長達幾個小時而并未達到應保護的溫度。

    圖3銅箔厚度對持續工作時間的影響

   從以上數據可以看出,銅箔厚度對功率板的散熱效果起到了重要的作用。

3結語

   從實驗數據可以看出,所研制的控制器滿足實用要求,并且不同的MOSFET管對控制器的工作效率有一定的影響,但是M0SFET管本身的性能并不是功率板散熱的主要因素,功率板的銅箔厚度才是對其散熱起著主要作用的因素。

聯系方式
 
 
 工作時間
周一至周五 :8:00-17:00
 聯系方式
于海騰:010-83971821
姜宇:010-83510840
周圍:010-61402950