用于混合動(dòng)力和電力驅(qū)動(dòng)的逆變器

　　在無基板skim模塊中，熱分布要均勻得多：這里，igbt的位置也呈現(xiàn)為一個(gè)強(qiáng)烈的熱源。然而，由于熱損耗分布在幾個(gè)位置上，dcb基板之間的距離更大，擁有更多的空間用于散熱。所產(chǎn)生的損耗可有效地消散，減少igbt和二極管之間的相互加熱。最佳散熱也確保在不同相上的均勻負(fù)載分布：功率逆變器三相間的igbt和二極管溫度是均勻的，所有三相的igbt平均溫度幾乎是相同的。igbt之間的最大溫差不超過10℃。負(fù)載分布均勻，使可用的制冷功率得到最佳利用，從而有利于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。除此之外，每個(gè)絕緣dbc陶瓷基板上的溫度傳感器允許每相單獨(dú)評(píng)估，提供了額外的對(duì)運(yùn)行溫度進(jìn)行控制的可能性。


　溫度與使用壽命

　　對(duì)于運(yùn)行中逆變器的實(shí)際熱負(fù)載，時(shí)變負(fù)載必須加以考慮。混合動(dòng)力或電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行過程中，出現(xiàn)不同的負(fù)載狀態(tài)：車輛加速過程中，igbt處于特別高的負(fù)載下，而減速過程中，進(jìn)行能量回收，電機(jī)的電池重新充電，這時(shí)續(xù)流二極管處于最大負(fù)載下。為了描述逆變器模塊的時(shí)變升溫，也必須研究功率模塊在0.1s～30s負(fù)載循環(huán)下的行為。對(duì)于兩種配置，igbt的時(shí)變熱阻都按照負(fù)載脈沖的寬度增加，如圖4所示。熱量開始從功率半導(dǎo)體沿著散熱器的方向流動(dòng)、擴(kuò)散，導(dǎo)致整個(gè)模塊升溫。如果負(fù)載脈沖持續(xù)時(shí)間超過30s，模塊將被充分加熱，熱阻不再增加。

　　時(shí)變熱阻值現(xiàn)在可用來計(jì)算運(yùn)行過程中半導(dǎo)體開關(guān)和閥上的熱負(fù)載。要做到這一點(diǎn)，現(xiàn)實(shí)的負(fù)載周期，正如實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)的那樣，被用來模擬典型負(fù)載狀態(tài)和負(fù)載脈沖寬度。讓我們以混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)周期為例，如圖5所示。在最初的啟動(dòng)和加速階段，能量來自電池并送入電機(jī)。在這些加速度階段，輸出功率可達(dá)到60kw。igbt的溫度按照逆變器的輸出升高到95℃。在恒速階段只需很少的逆變功率，半導(dǎo)體的溫度再次下降。在減速階段，目標(biāo)盡可能多地回收能量并反饋給電池。此時(shí)，igbt和二極管的功耗大致相同，而熱量耗散正處于最高值，igbt的溫度達(dá)到近110℃。

　　igbt的最大溫升dt=40℃。從模塊使用壽命方面來說，這相當(dāng)于600萬(wàn)次負(fù)載循環(huán)，如圖6所示。可以看出，均勻的溫度分布對(duì)于逆變器使用壽命和設(shè)計(jì)來說是多么的重要，如果溫度再升高10℃－dt=50℃可能的負(fù)載循環(huán)次數(shù)將降低3倍至200萬(wàn)次。為便于使用壽命設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體的最佳利用，損耗的均勻分布是絕對(duì)必要的。

　　均勻的溫度分布是必須的。10℃的溫升使負(fù)載循環(huán)數(shù)降低3倍，20℃的溫升能夠使使用壽命縮短6倍。

　　總結(jié)

　　無基板燒結(jié)模塊提供了一系列增強(qiáng)混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車逆變器模塊可靠性的可能性，由基板所導(dǎo)致的焊接和膨脹等不利因素被消除了。優(yōu)化了的布局保證了運(yùn)行期間整個(gè)功率半導(dǎo)體在很大程度上溫度的均勻分布。這意味著，在預(yù)期使用壽命計(jì)算中可以平等地考慮三相，從而便于逆變器的設(shè)計(jì)。逆變器的可靠性得到了明顯的改善，即使是在相當(dāng)大的主動(dòng)和被動(dòng)溫度波動(dòng)下。許多不同的無基板燒結(jié)模塊應(yīng)用證實(shí)了這一點(diǎn)，例如電動(dòng)汽車和公用車輛中的動(dòng)力系統(tǒng)以及諸如賽車等要求苛刻的應(yīng)用。