如何解決混合動(dòng)力汽車(chē)功率模塊的穩定性問(wèn)題

　　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?！　?/P>

　　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。

　　圖2：基本模塊基于HybridPACK1[3][4][5]

　　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?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