混合動(dòng)力汽車(chē)功率模塊的功率損耗計算和熱仿真

通常，混合動(dòng)力汽車(chē)同時(shí)具備內燃機引擎和電力馬達驅動(dòng)系統，并利用功率半導體模塊來(lái)實(shí)現電力馬達的速度調節。通常功率半導體模塊在車(chē)輛上的冷卻方式主要為風(fēng)冷和液態(tài)冷卻。不同汽車(chē)制造商設計的混合動(dòng)力系統大相徑庭，直接并無(wú)可比性。除冷卻系統之外，功率半導體模塊封裝甚至半導體技術(shù)本身都各不相同。

為了使這些系統更具可比性，本項研究采用了一個(gè)適用于不同冷卻系統的、被稱(chēng)為HybridPACK的通用“基礎功率模塊”。在配置中采用了一套基本輸入參數集，例如行駛循環(huán)、電機類(lèi)型、甚至半導體的電氣特性等。同時(shí)，為簡(jiǎn)化計算，忽略了不同駕駛策略的影響。

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

通過(guò)計算出從功率半導體模塊至冷卻系統的溫度分布，可以評估出模塊各部分受到的熱應力，諸如焊接點(diǎn)或鍵合點(diǎn)等。通過(guò)將熱應力轉換為可靠性試驗數據，可以預測出功率半導體模塊的使用壽命。

從行駛循環(huán)到可靠性試驗

可靠性試驗

在使用壽命期內，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，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(méi)有電氣應力的情況下，改變功率半導體模塊的環(huán)境溫度，包括對（TST：熱沖擊試驗）和（TC：熱循環(huán)試驗）。這項實(shí)驗主要用于評估焊接點(diǎn)的可靠性，及評估模塊在貯存、運輸或使用過(guò)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部半導體芯片和內部連接點(diǎn)焊接，在通過(guò)周期性電流時(shí)，對熱應力和機械應力的耐受性。周期性施加電流會(huì )導致溫度快速變化，會(huì )導致綁定線(xiàn)機械位置波動(dòng)。功率循環(huán)試驗對高溫條件下的工作壽命預期分析具有代表性[1]。

熱應力造成的主要故障是IGBT模塊的內部焊接疲勞和焊接線(xiàn)脫落。

研究方法

圖1根據逆變器系統的冷卻條件和行駛策略（行駛工況曲線(xiàn)、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)鍵電氣參數特性集，進(jìn)而計算出典型循環(huán)次數，以評估功率模塊的壽命，在本項研究中，幾個(gè)紅色參數是變量。

圖1：計算等效試驗循環(huán)次數的一般方法。在本項研究中，只有紅色參數是變量。

基本條件（輸入參數）

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(gè)常見(jiàn)的輸入參數集。

選擇了一個(gè)業(yè)內廣泛應用的功率半導體模塊。這個(gè)類(lèi)型的模塊經(jīng)專(zhuān)門(mén)設計，適用于最高功率在20 kW以?xún)鹊妮p度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)應用[2]。針對高達150°C的工作節溫設計，該模塊為6管合一的IGBT設計，最高額定電流為400A/650V。

典型汽車(chē)行駛循環(huán)工況包括多個(gè)啟停序列和5個(gè)滿(mǎn)負荷條件下的10秒鐘長(cháng)的恢復循環(huán)，繪制出任務(wù)曲線(xiàn)。并假定，模塊柵極驅動(dòng)條件理想，盡管這有可能低估整個(gè)逆變器系統中的功率損耗。因此，通過(guò)計算最?lèi)毫庸r條件下的功率損耗（最高溫度）來(lái)補償[6]。

計算功率損耗

通過(guò)計算靜態(tài)（PDC：導通）和動(dòng)態(tài)（PSW：開(kāi)關(guān)）損耗，可計算出模塊的功率損耗。

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

基于這種方法，可以根據模塊的電氣參數，計算出IGBT³ [8]和二極管的傳導損耗[9] [10]。

必須指出的是，參數r、VCE0、rD和VF0均取決于溫度T。

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

所有必需的參數均摘自功率模塊數據表[12]。

溫度分布模擬

通常，采用RC網(wǎng)絡(luò )（Cauer模型或Foster模型）來(lái)描述功率模塊系統的熱模型[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，基于系統的材料屬性和外形尺寸，通過(guò)3D瞬態(tài)有限元模擬可得出，或者可以通過(guò)實(shí)驗直接測定這兩個(gè)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，定義了熱阻抗Zth juncTIon ambient參數，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，增加了兩個(gè)元素來(lái)表現焊接層。因此，芯片的功率損耗導致焊接層溫度升高[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(lái)的影響。

溫度曲線(xiàn)

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(shí)，需要考慮功率半導體模塊的使用環(huán)境，例如，對于安裝在駕駛艙附近，并用風(fēng)冷散熱的系統，環(huán)境溫度設置為40°C（圖5）。

圖5：在一個(gè)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(xiàn)

在本例中，所得到的最高溫度分別是Tj max IGBT = 118°C、Tj max diode = 126℃和Tj max solder = 96℃（同時(shí)請參見(jiàn)表2）。

引起焊接層和焊接線(xiàn)老化的主要參數不是溫度本身，而是溫度波動(dòng)。同時(shí)，在仿真中加入了一個(gè)自動(dòng)算法，以計算出溫差T。

確定T發(fā)生數

主動(dòng)循環(huán)：圖6所示為一個(gè)風(fēng)冷系統中的二極管，特定溫度波動(dòng)的發(fā)生次數。幅度低于3 K的溫度波動(dòng)被忽略，因為這種溫度波動(dòng)不會(huì )明顯縮短組件使用壽命。多數溫度波動(dòng)都低于30°K.溫升。只有很少的循環(huán)會(huì )出現更高的T。只觀(guān)察到5次T > 60°K的顯著(zhù)溫度波動(dòng)。這些溫度波動(dòng)是圖5中的峰值。

圖6：二極管：在一個(gè)行駛循環(huán)中，不同T（α=454W/m² K）的循環(huán)次數

疊加在主動(dòng)溫度波動(dòng)上的，是工作環(huán)境造成的被動(dòng)溫度波動(dòng)。

被動(dòng)循環(huán)：在工作過(guò)程中，冷卻系統溫度升高也會(huì )導致溫度波動(dòng)，在計算組件使用壽命時(shí)，必須考慮這種溫度波動(dòng)。

假定汽車(chē)的使用壽命為15年，每天2個(gè)循環(huán)，功率模塊總共要經(jīng)歷10950個(gè)循環(huán)。環(huán)境溫度如表1所示，戶(hù)外溫度從5天-25℃到35天309℃。

表1：環(huán)境溫度影響工作溫度，溫升引起冷卻系統溫度升高，而導致被動(dòng)溫度波動(dòng)將溫升序列的溫度波動(dòng)定義為：行駛循環(huán)中的最高溫度，與開(kāi)始時(shí)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(gè)不同的溫度波動(dòng)是不現實(shí)的。因此，必須確定一個(gè)標準T。

從汽車(chē)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

機械疲勞、材料疲勞或材料變形等模型，通常有與機械應力循環(huán)或溫度變化相關(guān)。使用這種被稱(chēng)為（改良）Coffin-Manson模型的模型，來(lái)模擬功率模塊反復開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生的溫度循環(huán)，所導致的焊接或其他金屬中的裂紋增長(cháng)。這種經(jīng)常被引用的等式的式子清楚地表明，結點(diǎn)溫度波動(dòng)幅度很大時(shí)，疲勞會(huì )導致器件過(guò)早發(fā)生故障。這個(gè)等式的派生等式是兩個(gè)不同熱循環(huán)溫差范圍（Tduty_cycle和Ttest）故障循環(huán)次數之間的關(guān)系[14]。盡管該參考資料提到的是不同的指數，本計算采用的指數是3.3。該模型的式子如下：

可以從曲線(xiàn)的Tduty_cycle對應的負載循環(huán)次數nduty_cycle，計算出特定Ttest對應的等效循環(huán)次數ntest_cycle。

焊接線(xiàn)加速壽命計算

等式6所示為特定負載條件（電流I、結點(diǎn)溫度Tj、工作時(shí)間ton和溫度波動(dòng)T）計算等效循環(huán)次數的公式。

這個(gè)方程式也包含了不同溫差的比率，但根據大量試驗的結果作了修改[15]。

等式7基于等式6，所有任何負載循環(huán)i的p變換的總和，得出等效試驗循環(huán)次數（條件：Ttest=100K、Tj,min=50°C、ton, test = 2s 和參考電流Itest = 400A）。

參數差異性

冷卻條件

冷卻能力：比較了2個(gè)風(fēng)冷系統，1個(gè)液冷系統和1直接冷卻（帶針式散熱器的液態(tài)冷卻系統）系統。

對于風(fēng)冷系統和液冷系統，假定功率模塊底板與散熱器之間涂抹了導熱硅脂。

通過(guò)散熱片和模塊間的熱傳遞系數α，比較兩種冷卻系統的冷卻能力。（參閱表2：α = 124 W/m²K – 冷卻能力較弱的風(fēng)冷散熱器；α = 454 W/m²K – 強制風(fēng)冷散熱器；α = 20000 W/m²K – 冷卻能力較強的液冷散熱器）

表2：系統參數變化

為了實(shí)現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(lèi)型的模塊直接安裝在開(kāi)放式液冷散熱器上，鰭片直接接觸冷卻劑。因此，無(wú)需使用導熱性較差的導熱膏。由于底板直接接觸冷卻液，未定義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節所指出，對于風(fēng)冷系統，最高環(huán)境溫度設置為40°C，對于液冷系統則定義為70°C/95°C（表2）。

電氣參數

電池電壓：許多汽車(chē)制造商都更傾向將輕度混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池，設定為較低的電壓。通過(guò)增加電池電芯數量可以實(shí)現更高電壓，但這顯然會(huì )導致成本和電池重量的增加。為了了解電池電壓VDC對系統的影響，比較了兩套電氣參數（表2）。

結果

如圖1所示，行駛循環(huán)過(guò)程中溫度波動(dòng)包括，功率模塊運行產(chǎn)生的主動(dòng)溫度波動(dòng)，和工作環(huán)境造成的被動(dòng)溫度波動(dòng)。對于芯片來(lái)說(shuō)，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?lèi)毫忧闆r。

功率循環(huán)：對于綁定線(xiàn)焊接脫落的壽命計算，綁定線(xiàn)的最高溫度設置為最高芯片溫度Tj max。壽命循環(huán)建?？梢杂嬎阍诒粍?dòng)/主動(dòng)循環(huán)下的等效功率循環(huán)次數。

通過(guò)利用等式7，計算出圖6中給出的T次數，并推導出等效主動(dòng)循環(huán)次數。與被動(dòng)循環(huán)類(lèi)似，行駛循環(huán)次數被設置為10950。

為了計算被動(dòng)循環(huán)應力的等效試驗循環(huán)次數，對表1中的循環(huán)次數進(jìn)行了轉換。結果如表3所示。

表3：二極管功率循環(huán)：計算代表被動(dòng)溫度波動(dòng)的等效循環(huán)次數

熱循環(huán)：與3.1節中描述的被動(dòng)/主動(dòng)溫度循環(huán)轉換，采用了類(lèi)似的過(guò)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(dòng)溫度波動(dòng)的等效循環(huán)次數

概述

圖8和圖9所示為不同參數的等效試驗循環(huán)次數的比較。

功率循環(huán)：在圖8所示的功率循環(huán)次數（條件：Ttest=100K、Tj,test=150°C、ton, test = 2s 和參考電流Itest = 400A），是主動(dòng)循環(huán)/被動(dòng)波動(dòng)循環(huán)次數的總和。

圖8：不同參數的特定行駛循環(huán)的等效功率循環(huán)次數

熱循環(huán)：在圖9中，熱循環(huán)試驗的等效試驗循環(huán)次數（條件：T = 80K），是主動(dòng)循環(huán)次數和被動(dòng)波動(dòng)循環(huán)次數的總和。

圖9：不同參數的特定行駛循環(huán)的等效熱循環(huán)次數

在所有情況下，主動(dòng)循環(huán)的影響可以忽略不計。相對被動(dòng)溫度波動(dòng)很高的T，工作過(guò)程中焊接層的溫度波動(dòng)幅度很?。?55°C，強制風(fēng)冷）。

聲明

盡管這兩個(gè)試驗的趨勢很相似，也無(wú)法對兩個(gè)可靠性試驗進(jìn)行比較，因為在這兩個(gè)試驗中T越高，等效試驗循環(huán)次數就越多。

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(shí)，強制風(fēng)冷的性能與液冷器在70°C環(huán)境溫度下性能類(lèi)似。

3）將冷卻劑溫度從70°C升至95°C，會(huì )使等效循環(huán)次數翻一番。必須為逆變器配備單獨（獨立）的冷卻回路。采用常規安裝和連接技術(shù)，不能實(shí)現利用125°C的發(fā)動(dòng)機冷液散熱的設計。

4）即使模塊未工作，戶(hù)外溫度變化也會(huì )使焊接層發(fā)生溫度波動(dòng)。

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(xiàn)電壓波動(dòng)的影響。

8）避免出現滿(mǎn)負荷條件下的5個(gè)10秒鐘長(cháng)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(fēng)冷，比較圖8和圖9中的虛線(xiàn)列）。

最后兩個(gè)聲明表明，混合動(dòng)力汽車(chē)的開(kāi)發(fā)有必要采用全局性系統方法，包括行駛策略、冷卻系統、電池電壓和模塊的散熱能力。汽車(chē)制造商、逆變器供應商與功率半導體模塊供應商聯(lián)合進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以避免功率模塊太大，并能降低成本。

結語(yǔ)

如今，大多數混合動(dòng)力汽車(chē)使用的功率模塊。由于缺乏標準，不同汽車(chē)制造商采用的系統大相徑庭，因此不太可能對這些系統進(jìn)行比較。為了使逆變器系統變得更具可比性，本項研究采用了一個(gè)統一的“基礎功率模塊”和一套常見(jiàn)的輸入參數。

為了評估混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）功率半導體模塊必須具備的熱/功率循環(huán)穩定性，開(kāi)發(fā)了一個(gè)程序來(lái)計算在特定行駛循環(huán)中，芯片和焊接層的溫度變化。通過(guò)將主動(dòng)和被動(dòng)熱應力對焊料和焊接點(diǎn)造成的熱應力，轉換為可靠性試驗數據，計算出等效試驗循環(huán)次數。

在本文中，比較了8套不同的參數，包括不同的冷卻條件和/或電池電壓。結果是：汽車(chē)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(jìn)行開(kāi)發(fā)，有助于通過(guò)調整行駛策略、冷卻系統、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據的試驗條件范圍。因此，筆者強烈建議在應用該模型之前，咨詢(xún)英飛凌科技的專(zhuān)家。