如何解决混合动力汽车功率模块的稳定性问题

通常，混合动力汽车同时具备内燃机引擎和电力马达驱动系统，并利用功率半导体模块来实现电力马达的速度调节。通常功率半导体模块在车辆上的冷却方式主要为风冷和液态冷却。不同汽车制造商设计的混合动力系统大相径庭，直接并无可比性。除冷却系统之外，功率半导体模块封装甚至半导体技术本身都各不相同。

为了使这些系统更具可比性，本项研究采用了一个适用于不同冷却系统的、被称为HybridPACK的通用“基础功率模块”。在配置中采用了一套基本输入参数集，例如行驶循环、电机类型、甚至半导体的电气特性等。同时，为简化计算，忽略了不同驾驶策略的影响。

在电力电子系统中，功率半导体模块温度及温度波动对可靠性有较大的影响。为此，基于功率半导体模块的功率损耗计算和热仿真模型。开发了一个程序来计算整个行驶循环期间的温度。

通过计算出从功率半导体模块至冷却系统的温度分布，可以评估出模块各部分受到的热应力，诸如焊接点或键合点等。通过将热应力转换为可靠性试验数据，可以预测出功率半导体模块的使用寿命。

从行驶循环到可靠性试验

可靠性试验

在使用寿命期内，模块要承受环境（气候）造成的被动温度波动，及因模块运行发热造成的主动温度循环。温度循环和功率循环试验，可以模拟以上几种情况对模块寿命的影响。

温度循环：在温度循环试验中，在没有电气应力的情况下，改变功率半导体模块的环境温度，包括对（TST：热冲击试验）和（TC：热循环试验）。这项实验主要用于评估焊接点的可靠性，及评估模块在贮存、运输或使用过程中对可能发生的温度突变的耐受性。

功率循环：功率循环（PC）试验可用于确定功率模块内部半导体芯片和内部连接点焊接，在通过周期性电流时，对热应力和机械应力的耐受性。周期性施加电流会导致温度快速变化，会导致绑定线机械位置波动。功率循环试验对高温条件下的工作寿命预期分析具有代表性。

热应力造成的主要故障是IGBT模块的内部焊接疲劳和焊接线脱落。

研究方法

图1根据逆变器系统的冷却条件和行驶策略（行驶工况曲线、电机和行驶控制）信息，可得出功率模块的在特定工况下，关键电气参数特性集，进而计算出典型循环次数，以评估功率模块的寿命，在本项研究中，几个红色参数是变量。



图1：计算等效试验循环次数的一般方法。在本项研究中，只有红色参数是变量。

基本条件（输入参数）

为了不受行驶条件、电机特性以及芯片特性的影响，选择了一个常见的输入参数集。

选择了一个业内广泛应用的功率半导体模块。这个类型的模块经专门设计，适用于最高功率在20 kW以内的轻度混合动力电动汽车应用。针对高达150°C的工作节温设计，该模块为6管合一的IGBT设计，最高额定电流为400A/650V。

　

　

图2：基本模块基于HybridPACK1

典型汽车行驶循环工况包括多个启停序列和5个满负荷条件下的10秒钟长的恢复循环，绘制出任务曲线。并假定，模块栅极驱动条件理想，尽管这有可能低估整个逆变器系统中的功率损耗。因此，通过计算最恶劣工况条件下的功率损耗（最高温度）来补偿。

计算功率损耗

通过计算静态（PDC：导通）和动态（PSW：开关）损耗，可计算出模块的功率损耗。

计算逆变过程中芯片的功率损耗时，使用了正弦半波来模拟芯片中的热量。是基于IPOSIM中使用的计算方法。

基于这种方法，可以根据模块的电气参数，计算出IGBT3 和二极管的传导损耗 [10]。



必须指出的是，参数r、VCE0、rD和VF0均取决于温度T。

利用等式3和4，可以计算出功率模块的开关损耗。开关损耗是开关频率fsw与按所施加的电压VDC、电流?和开关能量Eon_nom、Eoff_nom、Erec_nom的乘积[11]。



所有必需的参数均摘自功率模块数据表。

温度分布模拟

通常，采用RC网络（Cauer模型或Foster模型）来描述功率模块系统的热模型[13]。发热源及模拟实际组件状态的RC网络。R’s和C’s值，基于系统的材料属性和外形尺寸，通过3D瞬态有限元模拟可得出，或者可以通过实验直接测定这两个值。



图3：红外测定IGBT/二极管工作温度

RC网络，利用芯片间发热的交叉耦合关系，定义了热阻抗Zth juncTIon ambient参数，描述了IGBT与二极管之间的发热的相互影响。



图4：RC网络（Foster模型）

除典型网络之外，增加了两个元素来表现焊接层。因此，芯片的功率损耗导致焊接层温度升高。

计算热循环造成的焊接疲劳，必须了解的参数为焊接层温度。此外，模型中引入电压源补偿环境温度变化带来的影响。

温度曲线

借助热模型，可以计算出在特定行驶循环的负载条件下，IGBT、二极管和焊接层的温度。

同时，需要考虑功率半导体模块的使用环境，例如，对于安装在驾驶舱附近，并用风冷散热的系统，环境温度设置为40°C（图5）。



图5：在一个3,000秒的行驶循环中，安装在风冷散热器上的功率模块的温度曲线

在本例中，所得到的最高温度分别是Tj max IGBT = 118°C、Tj max diode = 126℃和Tj max solder = 96℃（同时请参见表2）。

引起焊接层和焊接线老化的主要参数不是温度本身，而是温度波动。同时，在仿真中加入了一个自动算法，以计算出温差?T。