一种基于高功率密度化PCB板的热设计方法与流程

一种基于高功率密度化pcb板的热设计方法
技术领域
1.本发明属于热设计技术领域，具体涉及一种基于高功率密度化pcb板的热设计方法。


背景技术：

2.pcb板广泛应用于国防、航空航天、新能源汽车以及日常生产等各个领域，系统运行性能的优劣主要依托于pcb板，所以无论是军用还是民用领域都非常注重pcb板性能的最优化。随着pcb板在各行各业的广泛应用，其市场需求增大，对pcb板的体积、重量、功率密度等提出了更高的要求。由于pcb板小型化和高功率密度化的发展趋势，其整体设计面临散热、电磁兼容、绝缘等问题。大量研究表明，温度过高造成的设备失效所占比例高达55％，且失效率随着温度的升高呈指数增长趋势。因此，在提高pcb板功率密度的同时，如何确保良好散热性能是目前pcb板热设计的重点和难点。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供了一种基于高功率密度化pcb板的热设计方法，解决高功率密度与强散热能力难以兼容的问题，实现了系统良好散热和高功率密度化的双重目标。
4.为了实现上述目的，本发明提供了一种基于高功率密度化pcb板的热设计方法，包括如下步骤
5.建立pcb板上热源的功率损耗数学模型，依据功率损耗数学模型建立pcb板热仿真模型；
6.根据热仿真模型仿真结果，对pcb板进行芯片级、板级、系统级热分析，所述芯片级热分析用于确定pcb板散热能力高的工况，所述板级热分析用于确定散热能力高的pcb板器件布局，所述系统级热分析用于确定散热能力高的系统结构和不同环境条件下的散热效果；
7.根据热分析结果，对pcb板进行热-结构改进，在确保散热能力的同时，提高pcb板功率密度；
8.在改进后的pcb板上，对应热源增加散热装置，通过遗传算法优化散热装置结构参数。
9.进一步地，所述热源为开关器件，所述开关器件包括若干igbt模块，每个igbt模块的功率损耗数学模型为
[0010][0011]
其中，p
dc
、p
dc-tr
、p
dc-dio
分别为igbt模块的总通态功耗、igbt的通态损耗以及反并联二极管的通态损耗，r
t-tr
、r
t-dio
分别为igbt、反并联二极管的通态内阻，v
t0-tr
、v
t0-dio
分别为igbt、反并联二极管的阀值电压，m为调制比，im为电流幅值，p
sw
、p
sw-tr
、p
sw-dio
分别为igbt模块的总开关功耗、igbt的开关损耗以及反并联二极管的开关损耗，fs为开关频率，e
on
、e
off
为igbt的开通能量损耗、关断能量损耗，e
rr
为反并联二极管的开关能量损耗。
[0012]
进一步地，所述热仿真模型中删除用于信号传输的电路和器件，忽略损耗小的电路和器件，剩余器件的各面热阻值和功率损耗值根据数据手册提供的数据以及功率损耗数学模型计算结果进行设置。
[0013]
进一步地，所述芯片级热分析通过改变开关器件的工况控制参数，仿真不同工况下pcb板热量变化，确定pcb板散热能力高的工况；所述板级热分析通过调整器件位置，仿真获得pcb板最高温度和热量分布，确定pcb板器件布局使得温度分布均匀、整体温度最低；所述系统级热分析通过调节环境条件和系统中pcb板的结构形式，分析系统热量变换，确定pcb板结构形式和工作环境。
[0014]
进一步地，所述pcb板进行热-结构改进方法为将pcb板设计为多层结构。
[0015]
进一步地，所述pcb板设计为双层结构，所述双层结构通过层间隙热对流进行传热，层间隙热对流在气体流动阻力小的大空间通过热对流传热，层间隙热对流在气体流动阻力大的狭小空间通过热传导传热，热对流的热阻为
[0016][0017]
其中，d是空气层厚度，s是传热面积，h
空气
是空气导热系数；
[0018]
热传导的热阻为
[0019][0020]
其中，r1是下层电路板至空气的热阻，r2是空气至上层电路板的热阻，s1和s2分别是上下层电路板的表面积，h
水平
是水平方向的自然传热系数。
[0021]
进一步地，通过计算双层结构热阻确定层间隙大空间传热和小空间传热的分界范围，根据双层结构板间距离确定双层结构传热方式。
[0022]
进一步地，所述pcb板上层板布置小功率器件、下层板上下面布置大功率器件，所述上层板、下层板避免热源重叠，避免下层板功率器件被上层板遮挡。
[0023]
进一步地，所述热源增加的散热装置为柱状式散热器和风扇，所述热源安装在下
层板下面，所述柱状式散热器紧贴热源垂直向下安装，所述风扇紧贴柱状式散热器垂直向下安装。
[0024]
进一步地，所述散热装置采用遗传算法进行结构参数优化的方法如下
[0025]
选取基板厚度d、针柱直径l和风量v为优化变量，确定各变量的约束范围，建立优化数学模型为
[0026][0027]
构建二次响应面模型，为
[0028]
t＝50.4-0.073d-10.698l-0.842v+0.043d2+2.198l2+0.019v2+0.145dl+0.0005dv-0.108lv
[0029]
设置种群规模、进化代数、交叉概率、变异概率，采用遗传算法优化散热装置。
[0030]
本发明与现有技术相比的有益效果：
[0031]
1、热设计方法系统、全面：采用芯片级、板级以及系统级三层级结合的热分析方法，更为全面地指导热设计，具有系统性、全面性。
[0032]
2、通用性高：该热设计方法适用于不同种类pcb板热设计，通用性高。
[0033]
3、成品应用场景广泛：通过对高功率密度化电机驱动器的热设计，实现了其体积更小、重量更轻、功率密度更高的设计目标，更适用于空间狭小的应用场景。
[0034]
4、热可靠性高：通过对高功率密度化电机驱动器进行热设计，增强了驱动器的散热能力，提高了设备的热可靠性。
附图说明
[0035]
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1为本发明具体实施例提供的高功率密度化pcb板的热设计方法原理框图；
[0037]
图2为本发明具体实施例提供的热仿真流程示意图；
[0038]
图3为本发明具体实施例提供的芯片级热分析温度曲线，其中(a)为不同电压下的逆变器温度，(b)为不同开关频率下的逆变器温度；
[0039]
图4为本发明具体实施例提供的不同器件布局的pcb板温度云图；
[0040]
图5为本发明具体实施例提供的不同工况下pcb板温度热仿真和实验曲线；
[0041]
图6为本发明具体实施例提供的电机驱动器pcb板双层结构布局改进示意图；
[0042]
图7为本发明具体实施例提供的散热装置结构参数优化用遗传算法流程图；
[0043]
图8为本发明具体实施例提供的电机驱动器pcb板产品示意图。
具体实施方式
[0044]
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制
性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
[0045]
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
[0046]
本发明提供了一种基于高功率密度化pcb板的热设计方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0047]
1、建立pcb板上主要热源的功率损耗数学模型，依据功率损耗数学模型建立pcb板热仿真模型。
[0048]
热仿真模型是pcb板热分析和热设计的基础，以高功率密度化pcb板作为研究对象，对主要热源建立功率损耗数学模型，基于主要热源功率损耗数学模型建立较为精确的热仿真模型。
[0049]
在常规pcb板上，主要热源一般都是板上开关器件，因此本发明主要对开关器件功率损耗进行数学建模。
[0050]
最后，对热仿真模型进行热仿真，并通过实验验证热仿真模型的可行性。
[0051]
2、根据热仿真模型仿真结果，对pcb板进行芯片级、板级、系统级热分析，通过芯片级热分析确定pcb板散热能力较强的工况，通过板级热分析确定良好散热能力的pcb板器件布局，通过系统级热分析确定较高散热能力的系统结构和不同环境条件下的散热效果。
[0052]
根据热仿真模型仿真结果，针对高功率密度化pcb板进行芯片级、板级以及系统级三层级热分析。芯片级影响因素的热分析主要是探究影响开关器件功率损耗大小的因素，即探究不同工况下pcb板热量变化情况；板级影响因素的热分析是探究不同器件布局对pcb板温度分布的影响；系统级影响因素的热分析是探究不同外界环境及不同系统(系统指装配pcb板的整体装置)结构所引起的系统热量变化。
[0053]
3、根据步骤2热分析结果，对pcb板进行热-结构改进，确保pcb板满足良好散热能力的同时，提高pcb板功率密度。
[0054]
为实现pcb板良好散热和高功率密度化的双重目标，依据芯片级、板级以及系统级热分析对pcb板进行热-结构改进，可将pcb板设计为多层结构、并对各层元器件部件进行布局设计，提高功率密度，同时通过仿真和实验以验证改进措施的可行性。
[0055]
4、在改进后的pcb板上，对应主要热源增加散热装置，通过遗传算法优化散热装置结构参数。
[0056]
本发明中散热装置包括风冷与冷板两个散热部分，选用的待优化结构参数为基板厚度d、针柱直径l和风量v。
[0057]
通过热-结构改进措施有效保证了改进pcb板的热可靠性，为进一步提高散热性能，需采用散热器、风扇等更为直接有效的外加散热装置进行优化。基于以上分析，单独针对主要热源——功率开关器件进行散热优化，通过各类型散热器对改进后pcb板散热效果的分析，选取针柱状散热器与风冷相结合的散热方式，并将遗传算法与散热器结构优化问题相结合，得到最优散热器结构并进行仿真和实验验证。
[0058]
下面结合一个具体实施例详细阐述本发明的技术方案。
[0059]
本发明提供的一种高功率密度化pcb板的热设计方法，以一款高功率密度化电机
驱动器pcb板为例，可实现在提高驱动器功率密度的同时，也有效提高了驱动器的散热性能，包括如下步骤：
[0060]
(1)热仿真模型建立
[0061]
高功率密度化电机驱动器pcb板主要包括整流器、逆变器、dsp控制器、正交编码器、仿真器和多种保护电路，其中逆变器是一种典型的开关器件，为主要热源。
[0062]
根据电机驱动器组成结构进行器件选型，并确定关键热源为逆变器，对逆变器建立功率损耗数学模型。
[0063]
逆变器作为开关器件的代表，通常由六个igbt模块组成，每个igbt模块分为igbt和反并联二极管，两者都周期性地处于开通或关断状态。一个控制周期内，igbt和反并联二极管产生的功率损耗分为通态损耗和开关损耗，一个igbt模块的功率损耗数学模型为：
[0064][0065][0066]
其中，p
dc
、p
dc-tr
、p
dc-dio
分别为igbt模块的总通态功耗、igbt以及反并联二极管的通态损耗，r
t-tr
、r
t-dio
分别为igbt和反并联二极管的通态内阻，v
t0-tr
、v
t0-dio
分别为igbt和反并联二极管的阀值电压，m为调制比，im为电流幅值，p
sw
、p
sw-tr
、p
sw-dio
分别为igbt模块的总开关功耗、igbt以及反并联二极管的开关损耗，fs为开关频率，e
on
、e
off
为igbt的开通能量损耗和关断能量损耗，e
rr
为反并联二极管的开关能量损耗。
[0067]
上述数学模型用于计算一个igbt模块功率损耗，一个逆变器的功率损耗由六个igbt模块的功率损耗之和。对于其他开关器件，根据其igbt模块组成数量进行组合即可，如整流器由四个igbt模块组成，则一个整流器的功率损耗为四个igbt模块功率损耗之和。
[0068]
基于该功率损耗数学模型建立相对准确的热仿真模型以进行电机驱动器的热仿真分析及实验验证。对比仿真及实验的最高温度及热量分布情况，即可验证热仿真模型的可行性。
[0069]
为提高计算效率，在热仿真模型建立的过程中需要删除信号传输部分，忽略损耗较小的辅助电路和器件，剩余器件的各面热阻值和功率损耗值根据数据手册提供的数据以及功率损耗数学模型计算结果进行设置。
[0070]
信号传输部分具体指dsp外围信号传输电路、正交编码器、仿真器连接电路等，上述部分主要用于pwm信号的生成、电机反馈信号输入和编译在传输给控制芯片、控制算法的输入以及连接上位机界面等。辅助电路和器件主要有400v转15v转换器、15v转5v转换器、5v转3.3v转换器以及3.3v隔离电源。
[0071]
如图2所示，热仿真流程包括建立物理模型、施加负荷、模型网格划分、设置求解参数、处理仿真结果，热仿真具体方法为公知技术，此处不再赘述。
[0072]
(2)三层级热分析
[0073]
(2.1)芯片级影响因素的热分析主要是探究影响开关器件功率损耗大小的因素。考虑功率损耗数学模型的各变量，选取不同母线电压和开关频率进行逆变器热仿真，仿真及实验温度如附图3(a)、(b)所示。从图中可以明显看出，逆变器热量与母线电压、开关频率两个变量呈线性正相关，即随着母线电压、开关频率的增大，逆变器热量也相应地呈线性升高。实验数据和仿真数据均保持线性增长，考虑到实际实验过程中，逆变器周围器件散发的热量会导致逆变器温度升高，所以实验值会略高于仿真值，但两者温度相差不超过1℃，可以认为该仿真数据和实验数据具有一致性和可靠性。
[0074]
根据仿真和实验结果，可一定程度上指导pcb板合适的工况选择，即选择更合适的开关频率、母线电压及其他芯片级影响因素，在允许条件下，选择散热效果更好的工况，以增强pcb板的热可靠性，延长其使用寿命。
[0075]
(2.2)板级影响因素的热分析是探究不同器件布局对pcb板温度分布的影响。为探究布局对温度分布的影响，依据热仿真流程，选取五个功率为5w的功率开关器件放置于pcb板上，除中心位置的功率开关器件外，其余功率开关器件需平行放置或交错放置，然后逐渐向中心功率开关器件靠拢，观察该过程中pcb板最高温度和热量分布的变化，仿真结果如附图4所示。从图中可以得出以下结论：当功率开关器件分散放置在边缘时，板上温度分布极其不均匀，容易引起热应力问题，从而导致pcb板弯曲或器件脱落；功率开关器件太过聚集时，虽然温度分布变均匀，但会导致整体温度升高，当功率开关器件从某一温度较低的适宜距离移动至最聚集的情况时，pcb板最大温度升高了8℃，将引起热可靠性的降低；功率开关器件交错放置较平行放置效果更好，温度可以降低大约3℃，但太过聚集时，功率开关器件交错放置与平行放置差别不大。上述结论在一定程度上可以指导后续电机驱动器的热布局优化。
[0076]
通过分析确定器件在pcb板上的布局，使得温度分布均匀、且整体温度最低。
[0077]
(2.3)系统级影响因素的热分析是探究不同外界环境及驱动器结构所引起的电机驱动器热量变化。首先分析外界环境温度变化对电机驱动器pcb板温度分布的影响，根据式(3)可知pcb板上每个开关器件的温度为：
[0078]
t
器件
＝t
环境
+δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0079]
其中，t
环境
为环境温度，δt为功率损耗引起的开关器件温度变化。
[0080]
从式(3)可知器件温度会随环境温度变化而变化，为了对该原理进行验证，选取三种不同工况探究不同环境温度对逆变器热量的影响。工况1为母线电压u
cc
＝100v，开关频率fs＝10khz，额定负载；工况2为u
cc
＝100v，fs＝10khz，空载；工况3为u
cc
＝200v，fs＝10khz，额定负载，相应的热仿真和实验如图5所示。从图中可以看出，逆变器热量在三种工况下均随环境温度的升高而线性增大，且仿真值与实验值相当吻合。对比工况1和工况2可以看出，虽然两种工况下的相对误差仅小于1℃，但可以明显看出，负载的增大会导致逆变器温度的上升，与理论分析一致。对比工况1和工况3可以看出，改变母线电压较改变负载所带来的温度变化更加明显，母线电压的增大会引起逆变器温度的上升。根据环境对系统的温度影响情况，可一定程度上指导pcb板合适的工作环境，以增强pcb板的热可靠性，延长其使用寿命，并且可以确定该pcb板所能承受的最大环境温度范围。
[0081]
然后分析电机驱动器结构变化对pcb板温度分布的影响，传统pcb板结构多为单层，具有设计简单、体型较大、部分设计高低功率分界不明显等特点，为了提高系统整体的
功率密度，更容易区分高低功率模块，将传统pcb板改为双层板结构。双层pcb板结构通过层间隙热对流进行传热，层间隙热对流在气体流动阻力小的大空间通过热对流传热，层间隙热对流在气体流动阻力大的狭小空间通过热传导传热，两种传热方式的热阻分别如式(4)和式(5)所示：
[0082][0083][0084]
式中，d是空气层厚度，s是传热面积，h
空气
是空气导热系数，r1是下层电路板至空气的热阻，r2是空气至上层电路板的热阻，s1和s2分别是上下层电路板的表面积，h
水平
是水平方向的自然传热系数。根据公式可知，当发生大空间热对流传热时，在一定距离里，距离越大，热阻越大，散热效果越差；当发生小空间热传导时，在一定距离里，电路板表面积越大，热阻越小，散热效果越好。另外，在小空间热传导传热情况下，即板间距缩短至一定值时，空间层厚度对散热效果影响不大，即测温点温度不再变化。
[0085]
参照系统pcb板结构进行相关热仿真，并将仿真结果与上述分析所呈现的变化趋势作对比，可得到层间隙大空间传热和小空间传热的分界范围，再根据实际板间距确定系统分析时应为大空间热对流还是小空间热传导。
[0086]
(3)热结构改进
[0087]
依据上述芯片级、板级以及系统级热分析对电机驱动器进行热-结构改进，首先将电机驱动器pcb板改为两层板结构以减小驱动器体积，然后依据板级影响因素分析对元器件进行调整，最后对改进后的电机驱动器进行仿真和实验以验证改进措施的可行性。
[0088]
dsp控制器模块、正交编码器模块、仿真器模块和保护电路模块等15v以下的小功率模块位于上层板，并进行简单布局。整流器、逆变器等大功率模块放置在下层板，其中逆变器中的大功率芯片ps21765放置在下层pcb板背面以减小体积，且由于各大功率模块较小功率模块器件多、体型大，所以呈现上层板比下层板小的现象。另外，由于整流模块器件高度较高并在下层板左侧集中方式，因此上、下层板右对齐放置。
[0089]
由于pcb板上各器件高度限制，两层pcb板最小层间距在1.4cm以上，因此对电机驱动器进行热分析时主要考虑大空间热对流传热。为避免出现热量聚集，并基于三层级热分析结果对驱动器上层板电路进行重新布局，以增强驱动器自然对流散热能力。布局改进方案为：上层板的dsp控制器模块、正交编码器模块、仿真器模块和保护电路模块等15v以下的小功率模块环绕下层板发热最严重的逆变器放置，避免热源重叠；调整上下两层板相对位置，避免出现下层板功率模块被上层板遮挡造成散热不良并对上层板进行热对流升温的情况。具体布局改进如图6所示。最后对改进后的电机驱动器进行仿真和实验以验证改进措施的可行性。
[0090]
(4)外加散热装置
[0091]
为进一步提高电机驱动器散热性能，采用强迫风冷与冷板散热相结合的散热装置，针对主要热源——逆变器进行散热优化。所采用的具体散热装置为柱状式散热器和风扇。放置方式为紧贴下层板背面的igbt依次垂直向下放置柱状式散热器和风扇，igbt与柱状式散热器之间用银硅脂等粘合材料导热，并用螺丝进行散热装置的再次加固，igbt热量
可通过热传导传递至散热器，再与空气发生热对流的热路进行散热。柱状式散热器有基板厚度、针柱直径、基板厚度、针柱高度等基本结构参数，风扇有风量、长、宽、高等基本结构参数。可根据单因素控制变量法，探究影响散热装置散热性能的结构参数，便于后续选取影响最大的结构参数进行优化。
[0092]
为使散热装置的散热效果达到最佳，利用遗传算法优化散热装置结构参数，其流程如图7所示。选取基板厚度d、针柱直径l和风量v三个参数为优化变量，并确定各变量的约束范围。由于各变量与优化目标之间存在非线性关系，采用构建代理模型的方式进行多变量优化设计，优化数学模型为
[0093][0094]
接着构建二次响应面模型，如式(7)所示，通过方差分析发现该二次响应面模型的回归系数达到了0.9971，满足响应面误差大于0.9的要求，可验证该二次响应面模型的准确度。
[0095][0096]
采用遗传算法优化散热装置，将种群规模设为10，进化代数设为500，交叉概率设为0.4，变异概率设为0.2。最终寻优结果为d＝2.9963mm，l＝1.7685mm，v＝16.8216cfm，t＝32.8748℃。
[0097]
最终通过热设计制作了高功率密度化电机驱动器，成品结构图如图8所示。可以看出将电机驱动器改为功率密度更高的两层板结构。dsp模块、编码器模块、仿真器模块和保护电路模块等15v以下的小功率模块位于上层板，整流、逆变等大功率模块放置在下层板，其中逆变模块中的大功率芯片ps21765以及附加散热装置放置在下层pcb板背面以减小体积，并通过仿真和实验验证热设计的可行性，实现了良好散热和高功率密度化的双重目标。
[0098]
该设计方法可应用于高功率密度化pcb板的热设计，并以永磁同步电机交流驱动系统的高功率密度化电机驱动器为例进行相关热设计。该电机驱动器成品适用于重量轻、体积小以及效率高的永磁同步电机交流驱动系统，实现电机的各种性能包括启动、转速、变速、停转等；建立开关器件的功率损耗数学模型，利用计算结果建立热仿真模型，使热仿真模型更加精确；采用芯片级、板级以及系统级三层级结合的热分析方法，更为全面地指导热设计；利用遗传算法进行外加散热装置的最优结构求解，使该热设计散热效果最大化；通过高功率密度化pcb板的热设计方法，使得电机驱动器具有良好的散热能力、较高的热可靠性。
[0099]
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
[0100]
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
[0101]
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
[0102]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0103]
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。