鉅大LARGE | 點擊量：1381次 | 2020年07月06日
功率模塊的功率損耗計算和熱仿真 混合動力汽車技術(shù)研究
通常，混合動力汽車同時具備內(nèi)燃機引擎和電力馬達驅(qū)動系統(tǒng)，并利用功率半導(dǎo)體模塊來實現(xiàn)電力馬達的速度調(diào)節(jié)。通常功率半導(dǎo)體模塊在車輛上的冷卻方式重要為風(fēng)冷和液態(tài)冷卻。不同汽車制造商設(shè)計的混合動力系統(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。
從行駛循環(huán)到可靠性試驗
可靠性試驗
在使用壽命期內(nèi)，模塊要承受環(huán)境（氣候）造成的被動溫度波動，及因模塊運行發(fā)熱造成的主動溫度循環(huán)。溫度循環(huán)和功率循環(huán)試驗，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）和（TC：熱循環(huán)試驗）。這項實驗重要用于評估焊接點的可靠性，及評估模塊在貯存、運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)部連接點焊接，在通過周期性電流時，對熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的耐受性。周期性施加電流會導(dǎo)致溫度快速變化，會導(dǎo)致綁定線機械位置波動。功率循環(huán)試驗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)力造成的重要故障是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，進而計算出典型循環(huán)次數(shù)，以評估功率模塊的壽命，在本項研究中，幾個紅色參數(shù)是變量。
圖1：計算等效試驗循環(huán)次數(shù)的一般方法。在本項研究中，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、電機特性以及芯片特性的影響，選擇了一個常見的輸入?yún)?shù)集。
選擇了一個業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的功率半導(dǎo)體模塊。這個類型的模塊經(jīng)專門設(shè)計，適用于最高功率在20kW以內(nèi)的輕度混合動力電動汽車應(yīng)用[2]。針對高達150°C的工作節(jié)溫設(shè)計，該模塊為6管合一的IGBT設(shè)計，最高額定電流為400A/650V。
典型汽車行駛循環(huán)工況包括多個啟停序列和5個滿負荷條件下的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)動條件理想，盡管這有可能低估整個逆變器系統(tǒng)中的功率損耗。因此，通過計算最惡劣工況條件下的功率損耗（最高溫度）來補償[6]。
計算功率損耗
通過計算靜態(tài)（pDC：導(dǎo)通）和動態(tài)（pSW：開關(guān)）損耗，可計算出模塊的功率損耗。
計算逆變過程中芯片的功率損耗時，使用了正弦半波來模擬芯片中的熱量。是基于IpOSIM中使用的計算方法[7]。
必須指出的是，參數(shù)r、VCE0、rD和VF0均取決于溫度T。
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)熱源及模擬實際組件狀態(tài)的RC網(wǎng)絡(luò)。Rs和Cs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，或者可以通過實驗直接測定這兩個值。
圖3：紅外測定IGBT/二極管工作溫度
RC網(wǎng)絡(luò)，利用芯片間發(fā)熱的交叉耦合關(guān)系，含義了熱阻抗ZthjuncTIonambient參數(shù)，描述了IGBT與二極管之間的發(fā)熱的相互影響。
圖4：RC網(wǎng)絡(luò)（Foster模型）
除典型網(wǎng)絡(luò)之外，新增了兩個元素來表現(xiàn)焊接層。因此，芯片的功率損耗導(dǎo)致焊接層溫度升高[6]。
計算熱循環(huán)造成的焊接疲勞，必須了解的參數(shù)為焊接層溫度。此外，模型中引入電壓源補償環(huán)境溫度變化帶來的影響。
溫度曲線
借助熱模型，可以計算出在特定行駛循環(huán)的負載條件下，IGBT、二極管和焊接層的溫度。
同時，要考慮功率半導(dǎo)體模塊的使用環(huán)境，例如，關(guān)于安裝在駕駛艙附近，并用風(fēng)冷散熱的系統(tǒng)，環(huán)境溫度設(shè)置為40°C（圖5）。
圖5：在一個3,000秒的行駛循環(huán)中，安裝在風(fēng)冷散熱器上的功率模塊的溫度曲線
在本例中，所得到的最高溫度分別是TjmaxIGBT=118°C、Tjmaxdiode=126℃和Tjmaxsolder=96℃（同時請參見表2）。
引起焊接層和焊接線老化的重要參數(shù)不是溫度本身，而是溫度波動。同時，在仿真中加入了一個自動算法，以計算出溫差∆T。
確定∆T發(fā)生數(shù)
主動循環(huán)：圖6所示為一個風(fēng)冷系統(tǒng)中的二極管，特定溫度波動的發(fā)生次數(shù)。幅度低于3K的溫度波動被忽略，因為這種溫度波動不會明顯縮短組件使用壽命。多數(shù)溫度波動都低于30°K.溫升。只有很少的循環(huán)會出現(xiàn)更高的∆T。只觀察到5次∆T60°K的顯著溫度波動。這些溫度波動是圖5中的峰值。
圖6：二極管：在一個行駛循環(huán)中，不同∆T（α=454W/m²K）的循環(huán)次數(shù)
疊加在主動溫度波動上的，是工作環(huán)境造成的被動溫度波動。
被動循環(huán)：在工作過程中，冷卻系統(tǒng)溫度升高也會導(dǎo)致溫度波動，在計算組件使用壽命時，必須考慮這種溫度波動。
假定汽車的使用壽命為15年，每天2個循環(huán)，功率模塊總共要經(jīng)歷10950個循環(huán)。環(huán)境溫度如表1所示，戶外溫度從5天-25℃到35天309℃。
表1：環(huán)境溫度影響工作溫度，溫升引起冷卻系統(tǒng)溫度升高，而導(dǎo)致被動溫度波動將溫升序列的溫度波動含義為：行駛循環(huán)中的最高溫度，與開始時環(huán)境溫度的溫差。（參閱表3）
在可靠性試驗中，對器件施加多個不同的溫度波動是不現(xiàn)實的。因此，必須確定一個標準∆T。
從汽車工況循環(huán)到到功率模塊試驗循環(huán)
焊接疲勞加速老化計算
可以從曲線的∆Tduty_cycle對應(yīng)的負載循環(huán)次數(shù)nduty_cycle，計算出特定∆Ttest對應(yīng)的等效循環(huán)次數(shù)ntest_cycle。
焊接線加速壽命計算
這個方程式也包含了不同溫差的比率，但根據(jù)大量試驗的結(jié)果作了修改[15]。
參數(shù)差異性
冷卻條件
冷卻能力：比較了2個風(fēng)冷系統(tǒng)，1個液冷系統(tǒng)和1直接冷卻（帶針式散熱器的液態(tài)冷卻系統(tǒng)）系統(tǒng)。
關(guān)于風(fēng)冷系統(tǒng)和液冷系統(tǒng)，假定功率模塊底板與散熱器之間涂抹了導(dǎo)熱硅脂。
通過散熱片和模塊間的熱傳遞系數(shù)α，比較兩種冷卻系統(tǒng)的冷卻能力。（參閱表2：α=124W/m²K–冷卻能力較弱的風(fēng)冷散熱器；α=454W/m²K–強制風(fēng)冷散熱器；α=20000W/m²K–冷卻能力較強的液冷散熱器）
表2：系統(tǒng)參數(shù)變化
為了實現(xiàn)從功率模塊到散熱器的理想熱傳遞，在功率模塊底板配有鰭片散熱片。這種類型的模塊直接安裝在開放式液冷散熱器上，鰭片直接接觸冷卻劑。因此，無需使用導(dǎo)熱性較差的導(dǎo)熱膏。由于底板直接接觸冷卻液，未含義α值。在這種情況下，冷卻液流速表示不同的冷卻能力。
圖7：帶鰭片散熱片的底板（HybridpACKTM2）[16][17]與平板式底板示例
環(huán)境溫度：如第2.6節(jié)所指出，關(guān)于風(fēng)冷系統(tǒng)，最高環(huán)境溫度設(shè)置為40°C，關(guān)于液冷系統(tǒng)則含義為70°C/95°C（表2）。
電氣參數(shù)
電池電壓：許多汽車制造商都更傾向?qū)⑤p度混合動力/電動汽車的動力鋰電池，設(shè)定為較低的電壓。通過新增電池電芯數(shù)量可以實現(xiàn)更高電壓，但這顯然會導(dǎo)致成本和電池重量的新增。為了了解電池電壓VDC對系統(tǒng)的影響，比較了兩套電氣參數(shù)（表2）。
結(jié)果
如圖1所示，行駛循環(huán)過程中溫度波動包括，功率模塊運行出現(xiàn)的主動溫度波動，和工作環(huán)境造成的被動溫度波動。關(guān)于芯片來說，必須考慮IGBT和二極管的最糟情況條件。5次循環(huán)最高負載都在二極管上。因此，以二極管為例分析最惡劣情況。
功率循環(huán)：關(guān)于綁定線焊接脫落的壽命計算，綁定線的最高溫度設(shè)置為最高芯片溫度Tjmax。壽命循環(huán)建?？梢杂嬎阍诒粍?主動循環(huán)下的等效功率循環(huán)次數(shù)。
通過利用等式7，計算出圖6中給出的∆T次數(shù)，并推導(dǎo)出等效主動循環(huán)次數(shù)。與被動循環(huán)類似，行駛循環(huán)次數(shù)被設(shè)置為10950。
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。
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小（55°C，強制風(fēng)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(fēng)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(fēng)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）防止出現(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%（關(guān)于強制風(fēng)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(yīng)商與功率半導(dǎo)體模塊供應(yīng)商聯(lián)合進行開發(fā)，可以防止功率模塊太大，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(dǎo)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(yīng)力對焊料和焊接點造成的熱應(yīng)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(yīng)商和功率半導(dǎo)體模塊供應(yīng)商應(yīng)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)濟高效的解決方法。
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(yīng)用該模型之前，咨詢英飛凌科技的專家。
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