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柴油机电控系统执行器驱动电路热设计分析研究

摘要

船舶柴油机电控系统(ECU)通常被安装在船舱内的封闭环境中,舱内温度高、工作

环境恶劣。驱动电路作为ECU的重要组成部分,负责将控制信号转换为大小不同的电

流值,从而控制执行器比例电磁铁产生不同的电磁力使齿条处于不同位置,进而控制柴

油机的运行。驱动电路因长期处于大电流,反复关断的工作状态,使其成为了电控系统

的主要热源所在,产生的热量若不能及时散发出去,就会导致各元器件的工作温度超过

所能承受的温度极限,引起驱动电路失效,影响船舶柴油机的正常运行。因此本文针对

执行器驱动电路的工作特性,根据其功能需求进行模块化设计以及热分析研究,具体研

究内容如下:

首先,建立执行器驱动电路仿真模型。对主要热源器件功率MOS管进行选型及仿

真验证,确定各功能元器件在本设计中的适用性以及可靠性。分别对驱动电路各模块逻

辑功能进行仿真分析,通过设置模拟故障信号的方式对驱动电路进行功能验证,并对在

不同占空比下,驱动电流大小与电磁阀开度的关系进行研究。利用PspiceAA工具,对

驱动电路整体模块从灵敏度分析、容差分析、应力分析三个方面进行设计优化。结果表

明,所设计的驱动电路能够满足使用需要。

其次,建立执行器驱动电路热仿真模型。对驱动电路PCB板进行设计布局,通过选

择四层板布线并采用大面积铺铜的方式提高其散热能力。对主要发热元器件的损耗进行

计算,利用热仿真软件Icepak对驱动电路热模型进行热仿真分析,对比了不同导热材料、

铜层厚度、环境温度以及不同工况对驱动电路板散热能力的影响。在此基础上,通过改

善铜厚、元器件布局、设计散热器的方式对驱动电路板进行热优化。结果表明,在最高

环境温度70℃时,优化后的驱动电路板工作温度为88.93℃,能够满足散热要求。通过

Ansys软件对驱动电路板进行了热应力分析,结果表明,最大热应力为141MPa,未超过

电路板材料的屈服强度,最大变形量为0.17mm,不会对驱动电路板造成影响,形状保

持完整。

最后,搭建执行器驱动电路试验台。设计并完成了驱动电路板驱动功能和高低温工

作试验。结果表明,驱动电路板能够在不同工况下正常控制执行器齿条移动。在不同环

境温度下,PCB及元器件均处于正常工作温度,能够满足实际应用需要。

关键词:柴油机电控系统;驱动电路;可靠性设计;热仿真分析

柴油机电控系统执行器驱动电路热设计分析研究

Abstract

Marinedieselengineelectroniccontrolsystem(ECU)isusuallyinstalledinaclosed

environmentinthecabin,wherethetemperatureishighandtheworkingenvironmentisharsh.

AsanimportantpartoftheECU,thedrivecircuitisresponsibleforconvertingthecontrol

signaltothecurrentvalueofdifferentsizes,soastocontroltheactuatorproportion

electromagnettoproducedifferentelectromagneticforcesothattherackisindifferentpositions,

andthencontroltheoperationofthedieselengine.Thedrivecircuitisintheworkingstateof

highcurrentandrepeatedlyshutoffforalongtime,sothatitbecomesthemainheatsourceof

theelectroniccontrolsystem.Iftheheatgeneratedcannotbedissipatedi

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