如何解決混合動(dòng)力汽車(chē)功率模塊的穩定性問(wèn)題

　　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。