如何解決混合動(dòng)力汽車(chē)功率模塊的穩定性問(wèn)題

　　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。