混合動(dòng)力汽車功率模塊的功率損耗計(jì)算解析

為了使這些系統(tǒng)更具可比性，本項(xiàng)研究采用了一個(gè)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參數(shù)集，例如行駛循環(huán)、電機(jī)類型、甚至半導(dǎo)體的電氣特性等。同時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)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(dòng)對(duì)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(jì)算和熱仿真模型。開(kāi)發(fā)了一個(gè)程序來(lái)計(jì)算整個(gè)行駛循環(huán)期間的溫度。
　　通過(guò)計(jì)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(píng)估出模塊各部分受到的熱應(yīng)力，諸如焊接點(diǎn)或鍵合點(diǎn)等。通過(guò)將熱應(yīng)力轉(zhuǎn)換為可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以預(yù)測(cè)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(yàn)
　　可靠性試驗(yàn)
　　在使用壽命期內(nèi)，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(yùn)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(yàn)，可以模擬以上幾種情況對(duì)模塊壽命的影響。
　　溫度循環(huán)：在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，在沒(méi)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(duì)（TST：熱沖擊試驗(yàn)）和（TC：熱循環(huán)試驗(yàn)）。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)主要用于評(píng)估焊接點(diǎn)的可靠性，及評(píng)估模塊在貯存、運(yùn)輸或使用過(guò)程中對(duì)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(yàn)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(diǎn)焊接，在通過(guò)周期性電流時(shí)，對(duì)熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的耐受性。周期性施加電流會(huì)導(dǎo)致溫度快速變化，會(huì)導(dǎo)致綁定線機(jī)械位置波動(dòng)。功率循環(huán)試驗(yàn)對(duì)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(jī)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(jì)算出典型循環(huán)次數(shù)，以評(píng)估功率模塊的壽命，在本項(xiàng)研究中，幾個(gè)紅色參數(shù)是變量。
　　
　　圖1：計(jì)算等效試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的一般方法。在本項(xiàng)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(jī)特性以及芯片特性的影響，選擇了一個(gè)常見(jiàn)的輸入?yún)?shù)集。
　　選擇了一個(gè)業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的功率半導(dǎo)體模塊。這個(gè)類型的模塊經(jīng)專門設(shè)計(jì)，適用于最高功率在20 kW以內(nèi)的輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車應(yīng)用［2］。針對(duì)高達(dá)150°C的工作節(jié)溫設(shè)計(jì)，該模塊為6管合一的IGBT設(shè)計(jì)，最高額定電流為400A/650V。
　　典型汽車行駛循環(huán)工況包括多個(gè)啟停序列和5個(gè)滿負(fù)荷條件下的10秒鐘長(zhǎng)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(dòng)條件理想，盡管這有可能低估整個(gè)逆變器系統(tǒng)中的功率損耗。因此，通過(guò)計(jì)算最惡劣工況條件下的功率損耗（最高溫度）來(lái)補(bǔ)償［6］。