北京永光高特微电机有限公司
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大功率串励直流电机控制器功率板散热设计分析

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:652

   摘要:在电机控制器的使用过程中,经常会由于电机控制器本身的过热保护,导致电动叉车不能按时按量的完成工作,特别是在环境温度较高的时候更是如此,从而严重影响了工作进度,为此,通过对电机控制器的重新设计改进,以及其影响散热的主要因素进行考察,最终验证电路板铜箔厚度才是影响电机控制器散热的最主要因素。

0  引言

   电动叉车用电机是2.2~8 kW的大功率串励直流电动机,其控制器采用模拟电路设计,已得到广泛应用。该控制器分为控制板和功率板两部分。其中控制板中的温度保护、短接保护等各种保护电路保证了电机控制器在恶劣的情况下可以正常工作,并且不会损坏电池或者电机;功率板则包括了电流限制的取样电阻和反馈信号,最重要的是它承受着控制器几乎全部的电流和热量。如果功率板不能尽快地将热量散去,将会导致控制器内部温度迅速上升,很快达到温度保护电路的极限而进行保护,从而使电动叉车的使用效率大大降低,尤其在炎热的夏天更是如此。然而.目前系统研究关于决定功率板散热的主要因素和文献较少。

   根据当前控制电动叉车行走电机控制器中功率板的热量如何及时散去的问题,我们进行了一系列的实验。由于电机控制器功率板正常工作状态下的平均工作电流能达到上百安培,瞬时电流甚至可以达到600 A。在45~48 V的工作电压下,大约有l~2 kW的功率消耗在电路板上,功率板的散热好坏决定了该控制器的质量。我们通过对控制器不同条件下的实验,探讨了功率板散热的影响因素。影响功率板散热的一些因素

1.1散热底座

   散热底座放置的位置以及其与被放置的平台所接触的面积和良好程度决定了底座的散热情况。另外,芯片与底座的接触是否良好也决定着最终散热的好坏。

1.2功率管的选择

   常用的功率管有IRF3710、IRFB4710、IRFB43lO。其中,IRF3710和IRFB4710是专用的电机控制器MOSFET管。这三种芯片的主要区别如表1所示。

表1  三种芯片的性能比较

   根据芯片资料的对比分析,得出的结论是,IRFB43lO在所能承受最大电流方面明显优于IRF3710和IRFB4710,但是在随管壳温度升高的过程中,其所能承受的最大耗散功率也下降得非常迅速。

1 3电路板铜箔厚度

   铜箔的厚度对于电路板本身所能承受的电流和热量的大小起到决定性的作用。最常用的铜箔厚度在18μm,较厚的大约在75 μm。而针对控制器中的大电流和大功率的问题,我们采用了多种铜箔的厚度进行实验对比。

2实验过程(400A,48V规格的控制器)

   根据对电机控制器的规格要求,在正常情况下,控制器的平均输入电流应该可以保持在100 A(环境温度25℃)左右并持续较长的时间。而最大电流时候(平均输入电流为200 A)则持续时间很短,即控制器内部温升很快,迅速到达温度保护电路中设定的85℃。

   实验就是依据这样一个工作标准,使用不同的功率管和电路板的不同铜箔厚度,通过对控制板电位器的调节,改变PWM信号的占空比控制其工作电流的大小,以测试其是否可以满足规格要求,以及在功率板工作中,影响其散热良好程度的因素。

2.1芯片采用IRF3710/IRFB4710/IRFB4310,铜箔厚度为175μnm,保持环境温度25℃

   从图1中可以看到,在保持室温25℃,铜箔厚度为175 μm,整机持续工作的情况下,IRFB4710的承载电流明显比IRF37lO大,而IRFB4310所能承载的长时间工作电流则最小。这可能是因为IRFB4310管芯所能承受的耗散功率随管壳温度每升高1℃降低2.2 W,而IRF3710/IRFB4710则每升高1℃降低1 3/1.4 W,即随着芯片温度的升高,IRFB4310的带载能力也明显下降,管芯温度迅速上升,使得整机达到设定的保护温度从而停止工作。对比IRF3710/IRFB4710则因为其管芯所能承载功率随温度升高而发生的变化相差不大,综合导通内阻和最大漏极电流的因素,使得IRFB4710的持续工作时间比IRF3710明显有所提升。

    图1功率管对持续工作时间的影响

   由以上实验我们可以得出,功率管本身并不是影响功率板散热的主要因素。

2.2采用不同的铜箔厚度,相同的功率管进行实验

2.2 .1同样的芯片IRF3710,分别采用18μm和150μm的铜箔厚度,环境温度为30℃

   从图2中,我们可以明显地看到,铜箔厚度达到150μm的实验数据明显要比铜箔厚度只有18μm的数据好很多。在工作电流100 A时,150μm的控制器的工作时间比18μm的控制器提高了一半多,并且在100 A以下时,甚至都可以连续工作几个小时都不会到达温度保护电路中限定的温度。

   图2铜箔厚度对持续工作时间的影响

2.2.2同样的芯片IRFB4310,分别采用50μm和

175μm的铜箔厚度,环境温度25℃

   从图3中同样可以看到,在功率管相同、环境温度相同的情况下,175 μm铜箔厚度的实验数据明显比50μm的数据好很多。在铜箔厚度为50μm工作电流为140 A的情况下,[RFB4310只工作了25min便达到了温度保护设定的温度,而175 μm的铜箔厚度下,却可保持140 A的工作电流长达几个小时而并未达到应保护的温度。

    图3铜箔厚度对持续工作时间的影响

   从以上数据可以看出,铜箔厚度对功率板的散热效果起到了重要的作用。

3结语

   从实验数据可以看出,所研制的控制器满足实用要求,并且不同的MOSFET管对控制器的工作效率有一定的影响,但是M0SFET管本身的性能并不是功率板散热的主要因素,功率板的铜箔厚度才是对其散热起着主要作用的因素。

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