大功率串勵直流電機控制器功率板散熱設計分析

王程，周漢義，王海華

(合肥工業大學，安徽合肥230009)

    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，從而嚴重影響了丁作進度，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。

    關鍵詞：散熱；功率板；電機控制器

    中圖分類號：TM33  文獻標識碼：A  文章編號：1IlIl4—7018(2008)12—00n一02

O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。

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是專用的電機控制器MOsFET管。這三種芯片的主要區別如表1所示。

    根據芯片資料的對比分析，得出的結論是，IRFB4310在所能承受****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****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75μm。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****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175μm，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175μm，整機持續工作的情況下，IRFB4710的承載電流明顯比IRF3710大，而IRFB4310所能承載的長時間工作電流則最小。這可能是因為IRFB43lO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，使得整機達到設定的保護溫度從而停止工作。對比IRF3710／IRFB47lO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****漏極電流的因素，使得IRFB4710的持續工作時間比IRF37lO明顯有所提升。