用于混合動力和電力驅(qū)動的逆變器

引言

　　據(jù)調(diào)查顯示，目前正在投入使用的功率模塊中有4%是用在汽車應用中。未來幾年，這個市場預計將每年增長20%。用于混合動力和電力驅(qū)動的逆變器已經(jīng)可以在貨車、巴士和農(nóng)用車以及汽車和賽車應用中見到其蹤影。由于不同的應用領(lǐng)域有著不同的需求，所有情況下的主要關(guān)注點是為功率模塊開發(fā)可靠的封裝技術(shù)。如今最普遍的封裝解決方案是有基板和無基板的焊接模塊，以及最近采用燒結(jié)技術(shù)的無基板模塊。這些封裝技術(shù)有著不同的優(yōu)點和缺點，這就是為什么使用壽命設計要求就混合動力和電動汽車應用的要求評估這些技術(shù)。例如在冷卻水循環(huán)下，變化的環(huán)境溫度是被動熱循環(huán)的原因。此外，功率半導體中產(chǎn)生的功率損耗產(chǎn)生短暫的（5～20s）t=40℃～60℃的溫升。這里，功率半導體被從70℃的冷卻水溫度加熱到超過110℃～130℃，之后它們又回落到冷卻水溫度。由于所使用的材料有著不同的熱膨脹系數(shù)，因此每一次的溫度變化都會導致機械應力的產(chǎn)生。這是導致焊接和鍵合連接中材料疲勞的原因，并最終導致組件出現(xiàn)故障。

　　避免焊接連接

　　在采用壓接技術(shù)的無基板模塊中，有幾種途徑可用于提高模塊的可靠性。通過不斷避免焊接連接，焊接疲勞——這一功率模塊的主要故障機理——是可以完全消除的。這里，芯片和絕緣dbc陶瓷基板上的焊接連接被一個高度穩(wěn)定的燒結(jié)層所取代，采用壓接技術(shù)進行導電連接。去除基板有許多好處：首先，可以減小模塊與散熱器之間導熱涂層的厚度。導熱涂層是功率模塊中影響總熱阻的主要因素之一，這就是為什么要用盡可能薄的導熱涂層的原因。在有基板模塊中，需要一個75～150μm的導熱涂層以彌補基板的彎曲。在無基板模塊中，要主要需要處理的問題是如何對散熱片和dbc陶瓷基板表面的粗糙度進行補償，這就是為什么一個20～30μm的導熱涂層是足夠的。去除基板意味著去掉了一個導致熱應力的主要因素。

　　焊點的去除消除了焊料疲勞，這一功率模塊中常見的故障機制?；宓娜コ蚕舜蟛糠值臒釕?。40℃/125℃的加速被動熱沖擊測試表明，溫度傳導應力被有效地被減少了，可靠性大大增加：在無基板燒結(jié)模塊情況下，可能的熱沖擊次數(shù)增加了15倍。去除焊接互連和基板的進一步優(yōu)勢在于，有基板模塊中，焊接dbc基板的面積應減小到最低限度以減少焊點材料的疲勞；這里，基板的高導熱確保了所需的熱傳播。相比之下，設計無基板模塊時，dbc基板的面積就可以更大了，如圖1所示。

　　
　優(yōu)化熱分布

　　下文著眼于三相400a、600v逆變器模塊中igbt和續(xù)流二極管的定位。在有基板模塊情況下，每個半導體開關(guān)用了兩個200a的igbt和兩個200a的續(xù)流二極管，如圖2所示。因此，一個完整相包括四個igbt和四個續(xù)流二極管。用于無基板模塊的優(yōu)化排列是每個開關(guān)有四個100a的igbt和兩個200a的續(xù)流二極管（每相有八個igbt和四個續(xù)流二極管）。這意味著，無基板三相模塊的基區(qū)面積比有基板模塊的約大10%左右。

　　相比之下，帶有8個100aigbt和2個續(xù)流二極管的無基板skim模塊的布局為優(yōu)化熱分布和散熱采用了面積較大的dbc陶瓷基板。逆變器運行時，產(chǎn)生導通和開關(guān)損耗，這意味著功率半導體成為一個本地熱源。在三維有限元計算的幫助下，可以計算出任何給定運行狀態(tài)下逆變器模塊和散熱器中的熱傳播，如圖3所示。例如，當混合動力或電動車輛加速時，大部分功率損失是產(chǎn)生在igbt上的，而續(xù)流二極管承受較低的負載。

　　負載條件：電池電壓=350v、輸出電流=250a、輸出電壓=220v、輸出頻率=50hz、開關(guān)頻率=12khz，相位角cosf=0.85，冷卻介質(zhì)溫度=70℃。這就是為什么在熱成像圖中，igbt的位置呈現(xiàn)為一個強烈的熱源。在有基板模塊情況下，熱量集中在三相配置的中心。由于半導體緊密的定位和相間的短距離，igbt的溫度在這一點是最高的。雖然在此運行狀態(tài)下，續(xù)流二極管只承受中等的負載，igbt導致模塊中心的續(xù)流二極管顯著升溫。相比之下，逆變器模塊邊緣的二極管溫度要低15℃。盡管有底板，逆變器模塊邊緣區(qū)域的功率半導體模塊的溫度要遠遠低于模塊中心的，最終導致三相的非均勻熱分布：中間相igbt的平均熱負載幾乎比邊上兩相的igbt的平均溫度高10℃。igbt溫度的最高值和最低值相差超過20℃。中間相限制了整個逆變器模塊的可用電功率。這會有兩個后果：一方面，不得不選擇冷卻條件和負載，這樣中心dbc基板的溫度不至于過高；另一方面，溫度傳導的損傷機理對中間相有較強的影響。這意味著為逆變器功率電路的設計工程師應始終把中間相的溫度因素包括進去。

　　在無基板skim模塊中，熱分布要均勻得多：這里，igbt的位置也呈現(xiàn)為一個強烈的熱源。然而，由于熱損耗分布在幾個位置上，dcb基板之間的距離更大，擁有更多的空間用于散熱。所產(chǎn)生的損耗可有效地消散，減少igbt和二極管之間的相互加熱。最佳散熱也確保在不同相上的均勻負載分布：功率逆變器三相間的igbt和二極管溫度是均勻的，所有三相的igbt平均溫度幾乎是相同的。igbt之間的最大溫差不超過10℃。負載分布均勻，使可用的制冷功率得到最佳利用，從而有利于整個系統(tǒng)的設計。除此之外，每個絕緣dbc陶瓷基板上的溫度傳感器允許每相單獨評估，提供了額外的對運行溫度進行控制的可能性。


　溫度與使用壽命

　　對于運行中逆變器的實際熱負載，時變負載必須加以考慮?；旌蟿恿螂妱悠噷嶋H運行過程中，出現(xiàn)不同的負載狀態(tài)：車輛加速過程中，igbt處于特別高的負載下，而減速過程中，進行能量回收，電機的電池重新充電，這時續(xù)流二極管處于最大負載下。為了描述逆變器模塊的時變升溫，也必須研究功率模塊在0.1s～30s負載循環(huán)下的行為。對于兩種配置，igbt的時變熱阻都按照負載脈沖的寬度增加，如圖4所示。熱量開始從功率半導體沿著散熱器的方向流動、擴散，導致整個模塊升溫。如果負載脈沖持續(xù)時間超過30s，模塊將被充分加熱，熱阻不再增加。

　　時變熱阻值現(xiàn)在可用來計算運行過程中半導體開關(guān)和閥上的熱負載。要做到這一點，現(xiàn)實的負載周期，正如實際應用中會出現(xiàn)的那樣，被用來模擬典型負載狀態(tài)和負載脈沖寬度。讓我們以混合動力汽車驅(qū)動周期為例，如圖5所示。在最初的啟動和加速階段，能量來自電池并送入電機。在這些加速度階段，輸出功率可達到60kw。igbt的溫度按照逆變器的輸出升高到95℃。在恒速階段只需很少的逆變功率，半導體的溫度再次下降。在減速階段，目標盡可能多地回收能量并反饋給電池。此時，igbt和二極管的功耗大致相同，而熱量耗散正處于最高值，igbt的溫度達到近110℃。

　　igbt的最大溫升dt=40℃。從模塊使用壽命方面來說，這相當于600萬次負載循環(huán)，如圖6所示?？梢钥闯?，均勻的溫度分布對于逆變器使用壽命和設計來說是多么的重要，如果溫度再升高10℃－dt=50℃可能的負載循環(huán)次數(shù)將降低3倍至200萬次。為便于使用壽命設計和半導體的最佳利用，損耗的均勻分布是絕對必要的。

　　均勻的溫度分布是必須的。10℃的溫升使負載循環(huán)數(shù)降低3倍，20℃的溫升能夠使使用壽命縮短6倍。

　　總結(jié)

　　無基板燒結(jié)模塊提供了一系列增強混合動力和電動汽車逆變器模塊可靠性的可能性，由基板所導致的焊接和膨脹等不利因素被消除了。優(yōu)化了的布局保證了運行期間整個功率半導體在很大程度上溫度的均勻分布。這意味著，在預期使用壽命計算中可以平等地考慮三相，從而便于逆變器的設計。逆變器的可靠性得到了明顯的改善，即使是在相當大的主動和被動溫度波動下。許多不同的無基板燒結(jié)模塊應用證實了這一點，例如電動汽車和公用車輛中的動力系統(tǒng)以及諸如賽車等要求苛刻的應用。