如何解決混合動力汽車功率模塊的穩(wěn)定性問題
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
為了計算被動循環(huán)應力的等效試驗循環(huán)次數(shù)，對表1中的循環(huán)次數(shù)進行了轉(zhuǎn)換。結(jié)果如表3所示。
表3：二極管功率循環(huán)：計算代表被動溫度波動的等效循環(huán)次數(shù)
熱循環(huán)：與3.1節(jié)中描述的被動/主動溫度循環(huán)轉(zhuǎn)換，采用了類似的過程。
從行駛工況循環(huán)可計算得出焊接層的最高溫度（圖5）。
表4：焊接層熱循環(huán)：被動溫度波動的等效循環(huán)次數(shù)
概述
圖8和圖9所示為不同參數(shù)的等效試驗循環(huán)次數(shù)的比較。
功率循環(huán)：在圖8所示的功率循環(huán)次數(shù)（條件：?Ttest=100K、Tj,test=150°C、ton, test = 2s 和參考電流Itest = 400A），是主動循環(huán)/被動波動循環(huán)次數(shù)的總和。
圖8：不同參數(shù)的特定行駛循環(huán)的等效功率循環(huán)次數(shù)
熱循環(huán)：在圖9中，熱循環(huán)試驗的等效試驗循環(huán)次數(shù)（條件：?T = 80K），是主動循環(huán)次數(shù)和被動波動循環(huán)次數(shù)的總和。
圖9：不同參數(shù)的特定行駛循環(huán)的等效熱循環(huán)次數(shù)
在所有情況下，主動循環(huán)的影響可以忽略不計。相對被動溫度波動很高的?T，工作過程中焊接層的溫度波動幅度很?。?55°C，強制風冷）。
聲明
盡管這兩個試驗的趨勢很相似，也無法對兩個可靠性試驗進行比較，因為在這兩個試驗中?T越高，等效試驗循環(huán)次數(shù)就越多。
1）冷卻能力越好，可靠性要求越低。（當然，任何人都能做出這樣淺顯的聲明，本文的目的是表明冷卻能力對可靠性要求有多大的影響。）
2）當環(huán)境溫度為40°C時，強制風冷的性能與液冷器在70°C環(huán)境溫度下性能類似。
3）將冷卻劑溫度從70°C升至95°C，會使等效循環(huán)次數(shù)翻一番。必須為逆變器配備單獨（獨立）的冷卻回路。采用常規(guī)安裝和連接技術(shù)，不能實現(xiàn)利用125°C的發(fā)動機冷液散熱的設(shè)計。
4）即使模塊未工作，戶外溫度變化也會使焊接層發(fā)生溫度波動。
5）使用直接冷卻散熱方式的模塊，將大大降低了對模塊的可靠性要求。
6）提高電池電壓，可使風冷系統(tǒng)的功率循環(huán)要求降低4倍；熱要求降低40%。
7）更好的冷卻能力，可以減輕母線電壓波動的影響。
8）避免出現(xiàn)滿負荷條件下的5個10秒鐘長的溫度循環(huán)，可以將對功率循環(huán)的要求降低60%，對熱循環(huán)的要求降低40%（對于強制風冷，比較圖8和圖9中的虛線列）。
最后兩個聲明表明，混合動力汽車的開發(fā)有必要采用全局性系統(tǒng)方法，包括行駛策略、冷卻系統(tǒng)、電池電壓和模塊的散熱能力。汽車制造商、逆變器供應商與功率半導體模塊供應商聯(lián)合進行開發(fā)，可以避免功率模塊太大，并能降低成本。
結(jié)語
如今，大多數(shù)混合動力汽車使用的功率模塊。由于缺乏標準，不同汽車制造商采用的系統(tǒng)大相徑庭，因此不太可能對這些系統(tǒng)進行比較。為了使逆變器系統(tǒng)變得更具可比性，本項研究采用了一個統(tǒng)一的“基礎(chǔ)功率模塊”和一套常見的輸入?yún)?shù)。
為了評估混合動力汽車（HEV）功率半導體模塊必須具備的熱/功率循環(huán)穩(wěn)定性，開發(fā)了一個程序來計算在特定行駛循環(huán)中，芯片和焊接層的溫度變化。通過將主動和被動熱應力對焊料和焊接點造成的熱應力，轉(zhuǎn)換為可靠性試驗數(shù)據(jù)，計算出等效試驗循環(huán)次數(shù)。
在本文中，比較了8套不同的參數(shù)，包括不同的冷卻條件和/或電池電壓。結(jié)果是：汽車制造商、逆變器供應商和功率半導體模塊供應商應聯(lián)合進行開發(fā)，有助于通過調(diào)整行駛策略、冷卻系統(tǒng)、電池電壓和模塊的散熱能力，找到經(jīng)濟高效的解決方案。
備注
本模型中使用的變量存在一些其他關(guān)聯(lián)，這使得該模型僅可用于選定數(shù)據(jù)的試驗條件范圍。因此，筆者強烈建議在應用該模型之前，咨詢英飛凌科技的專家。
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