混合動力汽車功率模塊的功率損耗計算和熱仿真

通常，混合動力汽車同時具備內(nèi)燃機引擎和電力馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)，并利用功率半導(dǎo)體模塊來實現(xiàn)電力馬達(dá)的速度調(diào)節(jié)。通常功率半導(dǎo)體模塊在車輛上的冷卻方式主要為風(fēng)冷和液態(tài)冷卻。不同汽車制造商設(shè)計的混合動力系統(tǒng)大相徑庭，直接并無可比性。除冷卻系統(tǒng)之外，功率半導(dǎo)體模塊封裝甚至半導(dǎo)體技術(shù)本身都各不相同。

為了使這些系統(tǒng)更具可比性，本項研究采用了一個適用于不同冷卻系統(tǒng)的、被稱為HybridPACK的通用“基礎(chǔ)功率模塊”。在配置中采用了一套基本輸入?yún)?shù)集，例如行駛循環(huán)、電機類型、甚至半導(dǎo)體的電氣特性等。同時，為簡化計算，忽略了不同駕駛策略的影響。

在電力電子系統(tǒng)中，功率半導(dǎo)體模塊溫度及溫度波動對可靠性有較大的影響。為此，基于功率半導(dǎo)體模塊的功率損耗計算和熱仿真模型。開發(fā)了一個程序來計算整個行駛循環(huán)期間的溫度。

通過計算出從功率半導(dǎo)體模塊至冷卻系統(tǒng)的溫度分布，可以評估出模塊各部分受到的熱應(yīng)力，諸如焊接點或鍵合點等。通過將熱應(yīng)力轉(zhuǎn)換為可靠性試驗數(shù)據(jù)，可以預(yù)測出功率半導(dǎo)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(nèi)，模塊要承受環(huán)境（氣候）造成的被動溫度波動，及因模塊運行發(fā)熱造成的主動溫度循環(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，在沒有電氣應(yīng)力的情況下，改變功率半導(dǎo)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）。這項實驗主要用于評估焊接點的可靠性，及評估模塊在貯存、運輸或使用過程中對可能發(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(nèi)部半導(dǎo)體芯片和內(nèi)部連接點焊接，在通過周期性電流時，對熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的耐受性。周期性施加電流會導(dǎo)致溫度快速變化，會導(dǎo)致綁定線機械位置波動。功率循環(huán)試驗對高溫條件下的工作壽命預(yù)期分析具有代表性[1]。

熱應(yīng)力造成的主要故障是IGBT模塊的內(nèi)部焊接疲勞和焊接線脫落。

研究方法

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

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

基本條件（輸入?yún)?shù)）

為了不受行駛條件、電機特性以及芯片特性的影響，選擇了一個常見的輸入?yún)?shù)集。

選擇了一個業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的功率半導(dǎo)體模塊。這個類型的模塊經(jīng)專門設(shè)計，適用于最高功率在20 kW以內(nèi)的輕度混合動力電動汽車應(yīng)用[2]。針對高達(dá)150°C的工作節(jié)溫設(shè)計，該模塊為6管合一的IGBT設(shè)計，最高額定電流為400A/650V。

典型汽車行駛循環(huán)工況包括多個啟停序列和5個滿負(fù)荷條件下的10秒鐘長的恢復(fù)循環(huán)，繪制出任務(wù)曲線。并假定，模塊柵極驅(qū)動條件理想，盡管這有可能低估整個逆變器系統(tǒng)中的功率損耗。因此，通過計算最惡劣工況條件下的功率損耗（最高溫度）來補償[6]。

計算功率損耗

通過計算靜態(tài)（PDC：導(dǎo)通）和動態(tài)（PSW：開關(guān)）損耗，可計算出模塊的功率損耗。

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

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

必須指出的是，參數(shù)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關(guān)損耗。開關(guān)損耗是開關(guān)頻率fsw與按所施加的電壓VDC、電流î和開關(guān)能量Eon_nom、Eoff_nom、Erec_nom的乘積[11]。

所有必需的參數(shù)均摘自功率模塊數(shù)據(jù)表[12]。

溫度分布模擬

通常，采用RC網(wǎng)絡(luò)（Cauer模型或Foster模型）來描述功率模塊系統(tǒng)的熱模型[13]。發(fā)熱源及模擬實際組件狀態(tài)的RC網(wǎng)絡(luò)。R’s和C’s值，基于系統(tǒng)的材料屬性和外形尺寸，通過3D瞬態(tài)有限元模擬可得出，或者可以通過實驗直接測定這兩個值。

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(shù)，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，增加了兩個元素來表現(xiàn)焊接層。因此，芯片的功率損耗導(dǎo)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(shù)為焊接層溫度。此外，模型中引入電壓源補償環(huán)境溫度變化帶來的影響。

溫度曲線

借助熱模型，可以計算出在特定行駛循環(huán)的負(fù)載條件下，IGBT、二極管和焊接層的溫度。

同時，需要考慮功率半導(dǎo)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(tǒng)，環(huán)境溫度設(shè)置為40°C（圖5）。

圖5：在一個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

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℃（同時請參見表2）。

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

確定∆T發(fā)生數(shù)

主動循環(huán)：圖6所示為一個風(fēng)冷系統(tǒng)中的二極管，特定溫度波動的發(fā)生次數(shù)。幅度低于3 K的溫度波動被忽略，因為這種溫度波動不會明顯縮短組件使用壽命。多數(shù)溫度波動都低于30°K.溫升。只有很少的循環(huán)會出現(xiàn)更高的∆T。只觀察到5次∆T > 60°K的顯著溫度波動。這些溫度波動是圖5中的峰值。

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

疊加在主動溫度波動上的，是工作環(huán)境造成的被動溫度波動。

被動循環(huán)：在工作過程中，冷卻系統(tǒng)溫度升高也會導(dǎo)致溫度波動，在計算組件使用壽命時，必須考慮這種溫度波動。

假定汽車的使用壽命為15年，每天2個循環(huán)，功率模塊總共要經(jīng)歷10950個循環(huán)。環(huán)境溫度如表1所示，戶外溫度從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(tǒng)溫度升高，而導(dǎo)致被動溫度波動將溫升序列的溫度波動定義為：行駛循環(huán)中的最高溫度，與開始時環(huán)境溫度的溫差。（參閱表3）

在可靠性試驗中，對器件施加多個不同的溫度波動是不現(xiàn)實的。因此，必須確定一個標(biāo)準(zhǔn)∆T。

從汽車工況循環(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(yīng)力循環(huán)或溫度變化相關(guān)。使用這種被稱為（改良）Coffin-Manson模型的模型，來模擬功率模塊反復(fù)開關(guān)，產(chǎn)生的溫度循環(huán)，所導(dǎo)致的焊接或其他金屬中的裂紋增長。這種經(jīng)常被引用的等式的式子清楚地表明，結(jié)點溫度波動幅度很大時，疲勞會導(dǎo)致器件過早發(fā)生故障。這個等式的派生等式是兩個不同熱循環(huán)溫差范圍（∆Tduty_cycle和∆Ttest）故障循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系[14]。盡管該參考資料提到的是不同的指數(shù)，本計算采用的指數(shù)是3.3。該模型的式子如下：

可以從曲線的∆Tduty_cycle對應(yīng)的負(fù)載循環(huán)次數(shù)nduty_cycle，計算出特定∆Ttest對應(yīng)的等效循環(huán)次數(shù)ntest_cycle。

焊接線加速壽命計算

等式6所示為特定負(fù)載條件（電流I、結(jié)點溫度Tj、工作時間ton和溫度波動∆T）計算等效循環(huán)次數(shù)的公式。

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

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

參數(shù)差異性

冷卻條件

冷卻能力：比較了2個風(fēng)冷系統(tǒng)，1個液冷系統(tǒng)和1直接冷卻（帶針式散熱器的液態(tài)冷卻系統(tǒng)）系統(tǒng)。

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

通過散熱片和模塊間的熱傳遞系數(shù)α，比較兩種冷卻系統(tǒng)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(tǒng)參數(shù)變化

為了實現(xiàn)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。這種類型的模塊直接安裝在開放式液冷散熱器上，鰭片直接接觸冷卻劑。因此，無需使用導(dǎo)熱性較差的導(dǎo)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(jié)所指出，對于風(fēng)冷系統(tǒng)，最高環(huán)境溫度設(shè)置為40°C，對于液冷系統(tǒng)則定義為70°C/95°C（表2）。

電氣參數(shù)

電池電壓：許多汽車制造商都更傾向?qū)⑤p度混合動力/電動汽車的動力電池，設(shè)定為較低的電壓。通過增加電池電芯數(shù)量可以實現(xiàn)更高電壓，但這顯然會導(dǎo)致成本和電池重量的增加。為了了解電池電壓VDC對系統(tǒng)的影響，比較了兩套電氣參數(shù)（表2）。

結(jié)果

如圖1所示，行駛循環(huán)過程中溫度波動包括，功率模塊運行產(chǎn)生的主動溫度波動，和工作環(huán)境造成的被動溫度波動。對于芯片來說，必須考慮IGBT和二極管的最糟情況條件。5次循環(huán)最高負(fù)載都在二極管上。因此，以二極管為例分析最惡劣情況。

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

通過利用等式7，計算出圖6中給出的∆T次數(shù)，并推導(dǎo)出等效主動循環(huán)次數(shù)。與被動循環(huán)類似，行駛循環(huán)次數(shù)被設(shè)置為10950。

為了計算被動循環(huán)應(yīng)力的等效試驗循環(huán)次數(shù)，對表1中的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行了轉(zhuǎn)換。結(jié)果如表3所示。

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

熱循環(huán)：與3.1節(jié)中描述的被動/主動溫度循環(huán)轉(zhuǎn)換，采用了類似的過程。

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)：被動溫度波動的等效循環(huán)次數(shù)

概述

圖8和圖9所示為不同參數(shù)的等效試驗循環(huán)次數(shù)的比較。

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

圖8：不同參數(shù)的特定行駛循環(huán)的等效功率循環(huán)次數(shù)

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

圖9：不同參數(shù)的特定行駛循環(huán)的等效熱循環(huán)次數(shù)

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

聲明

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

1）冷卻能力越好，可靠性要求越低。（當(dāng)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(dāng)環(huán)境溫度為40°C時，強制風(fēng)冷的性能與液冷器在70°C環(huán)境溫度下性能類似。

3）將冷卻劑溫度從70°C升至95°C，會使等效循環(huán)次數(shù)翻一番。必須為逆變器配備單獨（獨立）的冷卻回路。采用常規(guī)安裝和連接技術(shù)，不能實現(xiàn)利用125°C的發(fā)動機冷液散熱的設(shè)計。

4）即使模塊未工作，戶外溫度變化也會使焊接層發(fā)生溫度波動。

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(tǒng)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，可以減輕母線電壓波動的影響。

8）避免出現(xiàn)滿負(fù)荷條件下的5個10秒鐘長的溫度循環(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中的虛線列）。

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

結(jié)語

如今，大多數(shù)混合動力汽車使用的功率模塊。由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)，不同汽車制造商采用的系統(tǒng)大相徑庭，因此不太可能對這些系統(tǒng)進(jìn)行比較。為了使逆變器系統(tǒng)變得更具可比性，本項研究采用了一個統(tǒng)一的“基礎(chǔ)功率模塊”和一套常見的輸入?yún)?shù)。

為了評估混合動力汽車（HEV）功率半導(dǎo)體模塊必須具備的熱/功率循環(huán)穩(wěn)定性，開發(fā)了一個程序來計算在特定行駛循環(huán)中，芯片和焊接層的溫度變化。通過將主動和被動熱應(yīng)力對焊料和焊接點造成的熱應(yīng)力，轉(zhuǎn)換為可靠性試驗數(shù)據(jù)，計算出等效試驗循環(huán)次數(shù)。

在本文中，比較了8套不同的參數(shù)，包括不同的冷卻條件和/或電池電壓。結(jié)果是：汽車制造商、逆變器供應(yīng)商和功率半導(dǎo)體模塊供應(yīng)商應(yīng)聯(lián)合進(jìn)行開發(fā)，有助于通過調(diào)整行駛策略、冷卻系統(tǒng)、電池電壓和模塊的散熱能力，找到經(jīng)濟(jì)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(shù)據(jù)的試驗條件范圍。因此，筆者強烈建議在應(yīng)用該模型之前，咨詢英飛凌科技的專家。