基于拓扑优化的车用功率模块Pin-Fin设计方法

集成Pin-Fin散热器可以降低功率模块的结-流热阻，是车用电机控制器热管理的发展趋势。然而，传统参数设计方法无法定量表征Pin-Fin的形貌结构，设计自由度低、设计效果欠佳，难以实现Pin-Fin的热-流协同设计。基于变密度拓扑优化方法，该文提出一种Pin-Fin形貌结构的设计方法，建立Pin-Fin设计的变密度拓扑优化模型，分析模型参数对优化结果和收敛性的影响规律，形成以结-流热阻和冷却液压降为目标的协同优化方法，探索Pin-Fin结构的热-流耦合规律和强化换热方法，得到最优的Pin-Fin散热器形貌结构，搭建变流器实验平台和车用电机控制器样机，对标商业化圆形Pin-Fin结构，以及三角形、菱形和水滴形等其他形貌结构，计及母线电压、负荷电流和冷却液流量的影响，实验结果验证了所提模型方法的可行性和有效性。实验结果表明：基于拓扑优化方法设计的Pin-Fin结构，与传统结构相比可以降低12%的结-流热阻，消除了多芯片结温差异的80%，为车用功率模块和电机控制器研究提供新的思路。