如何解决混合动力汽车功率模块的稳定性问题

概述

图8和图9所示为不同参数的等效试验循环次数的比较。

功率循环：在图8所示的功率循环次数（条件：?Ttest=100K、Tj,test=150°C、ton, test = 2s 和参考电流Itest = 400A），是主动循环/被动波动循环次数的总和。



图8：不同参数的特定行驶循环的等效功率循环次数

热循环：在图9中，热循环试验的等效试验循环次数（条件：?T = 80K），是主动循环次数和被动波动循环次数的总和。



图9：不同参数的特定行驶循环的等效热循环次数

在所有情况下，主动循环的影响可以忽略不计。相对被动温度波动很高的?T，工作过程中焊接层的温度波动幅度很小（＜ 55°C，强制风冷）。

声明

尽管这两个试验的趋势很相似，也无法对两个可靠性试验进行比较，因为在这两个试验中?T越高，等效试验循环次数就越多。

1）冷却能力越好，可靠性要求越低。（当然，任何人都能做出这样浅显的声明，本文的目的是表明冷却能力对可靠性要求有多大的影响。）

2）当环境温度为40°C时，强制风冷的性能与液冷器在70°C环境温度下性能类似。

3）将冷却剂温度从70°C升至95°C，会使等效循环次数翻一番。必须为逆变器配备单独（独立）的冷却回路。采用常规安装和连接技术，不能实现利用125°C的发动机冷液散热的设计。

4）即使模块未工作，户外温度变化也会使焊接层发生温度波动。

5）使用直接冷却散热方式的模块，将大大降低了对模块的可靠性要求。

6）提高电池电压，可使风冷系统的功率循环要求降低4倍；热要求降低40%。

7）更好的冷却能力，可以减轻母线电压波动的影响。

8）避免出现满负荷条件下的5个10秒钟长的温度循环，可以将对功率循环的要求降低60%，对热循环的要求降低40%（对于强制风冷，比较图8和图9中的虚线列）。

最后两个声明表明，混合动力汽车的开发有必要采用全局性系统方法，包括行驶策略、冷却系统、电池电压和模块的散热能力。汽车制造商、逆变器供应商与功率半导体模块供应商联合进行开发，可以避免功率模块太大，并能降低成本。

结语

如今，大多数混合动力汽车使用的功率模块。由于缺乏标准，不同汽车制造商采用的系统大相径庭，因此不太可能对这些系统进行比较。为了使逆变器系统变得更具可比性，本项研究采用了一个统一的“基础功率模块”和一套常见的输入参数。

为了评估混合动力汽车（HEV）功率半导体模块必须具备的热/功率循环稳定性，开发了一个程序来计算在特定行驶循环中，芯片和焊接层的温度变化。通过将主动和被动热应力对焊料和焊接点造成的热应力，转换为可靠性试验数据，计算出等效试验循环次数。

在本文中，比较了8套不同的参数，包括不同的冷却条件和/或电池电压。结果是：汽车制造商、逆变器供应商和功率半导体模块供应商应联合进行开发，有助于通过调整行驶策略、冷却系统、电池电压和模块的散热能力，找到经济高效的解决方案。

备注

本模型中使用的变量存在一些其他关联，这使得该模型仅可用于选定数据的试验条件范围。因此，笔者强烈建议在应用该模型之前，咨询英飞凌科技的专家。