如何解決混合動(dòng)力汽車功率模塊的穩(wěn)定性問題

　　通常，混合動(dòng)力汽車同時(shí)具備內(nèi)燃機(jī)引擎和電力馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并利用功率半導(dǎo)體模塊來實(shí)現(xiàn)電力馬達(dá)的速度調(diào)節(jié)。通常功率半導(dǎo)體模塊在車輛上的冷卻方式主要為風(fēng)冷和液態(tài)冷卻。不同汽車制造商設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力系統(tǒng)大相徑庭，直接并無可比性。除冷卻系統(tǒng)之外，功率半導(dǎo)體模塊封裝甚至半導(dǎo)體技術(shù)本身都各不相同。

　　為了使這些系統(tǒng)更具可比性，本項(xiàng)研究采用了一個(gè)適用于不同冷卻系統(tǒng)的、被稱為HybridPACK的通用“基礎(chǔ)功率模塊”。在配置中采用了一套基本輸入?yún)?shù)集，例如行駛循環(huán)、電機(jī)類型、甚至半導(dǎo)體的電氣特性等。同時(shí)，為簡化計(jì)算，忽略了不同駕駛策略的影響。

　　在電力電子系統(tǒng)中，功率半導(dǎo)體模塊溫度及溫度波動(dòng)對可靠性有較大的影響。為此，基于功率半導(dǎo)體模塊的功率損耗計(jì)算和熱仿真模型。開發(fā)了一個(gè)程序來計(jì)算整個(gè)行駛循環(huán)期間的溫度。　　

　　通過計(jì)算出從功率半導(dǎo)體模塊至冷卻系統(tǒng)的溫度分布，可以評估出模塊各部分受到的熱應(yīng)力，諸如焊接點(diǎn)或鍵合點(diǎn)等。通過將熱應(yīng)力轉(zhuǎn)換為可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以預(yù)測出功率半導(dǎo)體模塊的使用壽命。

從行駛循環(huán)到可靠性試驗(yàn)

可靠性試驗(yàn)

　　在使用壽命期內(nèi)，模塊要承受環(huán)境（氣候）造成的被動(dòng)溫度波動(dòng)，及因模塊運(yùn)行發(fā)熱造成的主動(dòng)溫度循環(huán)。溫度循環(huán)和功率循環(huán)試驗(yàn)，可以模擬以上幾種情況對模塊壽命的影響。

　　溫度循環(huán)：在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，在沒有電氣應(yīng)力的情況下，改變功率半導(dǎo)體模塊的環(huán)境溫度，包括對（TST：熱沖擊試驗(yàn)）和（TC：熱循環(huán)試驗(yàn)）。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)主要用于評估焊接點(diǎn)的可靠性，及評估模塊在貯存、運(yùn)輸或使用過程中對可能發(fā)生的溫度突變的耐受性。

　　功率循環(huán)：功率循環(huán)（PC）試驗(yàn)可用于確定功率模塊內(nèi)部半導(dǎo)體芯片和內(nèi)部連接點(diǎn)焊接，在通過周期性電流時(shí)，對熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的耐受性。周期性施加電流會(huì)導(dǎo)致溫度快速變化，會(huì)導(dǎo)致綁定線機(jī)械位置波動(dòng)。功率循環(huán)試驗(yàn)對高溫條件下的工作壽命預(yù)期分析具有代表性[1]。

　　熱應(yīng)力造成的主要故障是IGBT模塊的內(nèi)部焊接疲勞和焊接線脫落。

研究方法

　　圖1根據(jù)逆變器系統(tǒng)的冷卻條件和行駛策略（行駛工況曲線、電機(jī)和行駛控制）信息，可得出功率模塊的在特定工況下，關(guān)鍵電氣參數(shù)特性集，進(jìn)而計(jì)算出典型循環(huán)次數(shù)，以評估功率模塊的壽命，在本項(xiàng)研究中，幾個(gè)紅色參數(shù)是變量。

圖1：計(jì)算等效試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的一般方法。在本項(xiàng)研究中，只有紅色參數(shù)是變量。

基本條件（輸入?yún)?shù)）

　　為了不受行駛條件、電機(jī)特性以及芯片特性的影響，選擇了一個(gè)常見的輸入?yún)?shù)集。

　　選擇了一個(gè)業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的功率半導(dǎo)體模塊。這個(gè)類型的模塊經(jīng)專門設(shè)計(jì)，適用于最高功率在20 kW以內(nèi)的輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車應(yīng)用[2]。針對高達(dá)150°C的工作節(jié)溫設(shè)計(jì)，該模塊為6管合一的IGBT設(shè)計(jì)，最高額定電流為400A/650V。

　　圖2：基本模塊基于HybridPACK1[3][4][5]

　　典型汽車行駛循環(huán)工況包括多個(gè)啟停序列和5個(gè)滿負(fù)荷條件下的10秒鐘長的恢復(fù)循環(huán)，繪制出任務(wù)曲線。并假定，模塊柵極驅(qū)動(dòng)條件理想，盡管這有可能低估整個(gè)逆變器系統(tǒng)中的功率損耗。因此，通過計(jì)算最惡劣工況條件下的功率損耗（最高溫度）來補(bǔ)償[6]。

計(jì)算功率損耗

　　通過計(jì)算靜態(tài)（PDC：導(dǎo)通）和動(dòng)態(tài)（PSW：開關(guān)）損耗，可計(jì)算出模塊的功率損耗。

　　計(jì)算逆變過程中芯片的功率損耗時(shí)，使用了正弦半波來模擬芯片中的熱量。是基于IPOSIM中使用的計(jì)算方法[7]。

　　基于這種方法，可以根據(jù)模塊的電氣參數(shù)，計(jì)算出IGBT3 [8]和二極管的傳導(dǎo)損耗[9] [10]。

　　必須指出的是，參數(shù)r、VCE0、rD和VF0均取決于溫度T。

　　利用等式3和4，可以計(jì)算出功率模塊的開關(guān)損耗。開關(guān)損耗是開關(guān)頻率fsw與按所施加的電壓VDC、電流?和開關(guān)能量Eon_nom、Eoff_nom、Erec_nom的乘積[11]。

　　所有必需的參數(shù)均摘自功率模塊數(shù)據(jù)表[12]。

溫度分布模擬

　　通常，采用RC網(wǎng)絡(luò)（Cauer模型或Foster模型）來描述功率模塊系統(tǒng)的熱模型[13]。發(fā)熱源及模擬實(shí)際組件狀態(tài)的RC網(wǎng)絡(luò)。R’s和C’s值，基于系統(tǒng)的材料屬性和外形尺寸，通過3D瞬態(tài)有限元模擬可得出，或者可以通過實(shí)驗(yàn)直接測定這兩個(gè)值。

圖3：紅外測定IGBT/二極管工作溫度