如何解决混合动力汽车功率模块的稳定性问题

　　通常，混合动力汽车同时具备内燃机引擎和电力马达驱动系统，并利用功率半导体模块来实现电力马达的速度调节。通常功率半导体模块在车辆上的冷却方式主要为风冷和液态冷却。不同汽车制造商设计的混合动力系统大相径庭，直接并无可比性。除冷却系统之外，功率半导体模块封装甚至半导体技术本身都各不相同。

　　为了使这些系统更具可比性，本项研究采用了一个适用于不同冷却系统的、被称为HybridPACK的通用“基础功率模块”。在配置中采用了一套基本输入参数集，例如行驶循环、电机类型、甚至半导体的电气特性等。同时，为简化计算，忽略了不同驾驶策略的影响。

　　在电力电子系统中，功率半导体模块温度及温度波动对可靠性有较大的影响。为此，基于功率半导体模块的功率损耗计算和热仿真模型。开发了一个程序来计算整个行驶循环期间的温度。　　

　　通过计算出从功率半导体模块至冷却系统的温度分布，可以评估出模块各部分受到的热应力，诸如焊接点或键合点等。通过将热应力转换为可靠性试验数据，可以预测出功率半导体模块的使用寿命。

从行驶循环到可靠性试验

可靠性试验

　　在使用寿命期内，模块要承受环境（气候）造成的被动温度波动，及因模块运行发热造成的主动温度循环。温度循环和功率循环试验，可以模拟以上几种情况对模块寿命的影响。

　　温度循环：在温度循环试验中，在没有电气应力的情况下，改变功率半导体模块的环境温度，包括对（TST：热冲击试验）和（TC：热循环试验）。这项实验主要用于评估焊接点的可靠性，及评估模块在贮存、运输或使用过程中对可能发生的温度突变的耐受性。

　　功率循环：功率循环（PC）试验可用于确定功率模块内部半导体芯片和内部连接点焊接，在通过周期性电流时，对热应力和机械应力的耐受性。周期性施加电流会导致温度快速变化，会导致绑定线机械位置波动。功率循环试验对高温条件下的工作寿命预期分析具有代表性[1]。

　　热应力造成的主要故障是IGBT模块的内部焊接疲劳和焊接线脱落。

研究方法

　　图1根据逆变器系统的冷却条件和行驶策略（行驶工况曲线、电机和行驶控制）信息，可得出功率模块的在特定工况下，关键电气参数特性集，进而计算出典型循环次数，以评估功率模块的寿命，在本项研究中，几个红色参数是变量。

图1：计算等效试验循环次数的一般方法。在本项研究中，只有红色参数是变量。

基本条件（输入参数）

　　为了不受行驶条件、电机特性以及芯片特性的影响，选择了一个常见的输入参数集。

　　选择了一个业内广泛应用的功率半导体模块。这个类型的模块经专门设计，适用于最高功率在20 kW以内的轻度混合动力电动汽车应用[2]。针对高达150°C的工作节温设计，该模块为6管合一的IGBT设计，最高额定电流为400A/650V。

　　图2：基本模块基于HybridPACK1[3][4][5]

　　典型汽车行驶循环工况包括多个启停序列和5个满负荷条件下的10秒钟长的恢复循环，绘制出任务曲线。并假定，模块栅极驱动条件理想，尽管这有可能低估整个逆变器系统中的功率损耗。因此，通过计算最恶劣工况条件下的功率损耗（最高温度）来补偿[6]。

计算功率损耗

　　通过计算静态（PDC：导通）和动态（PSW：开关）损耗，可计算出模块的功率损耗。

　　计算逆变过程中芯片的功率损耗时，使用了正弦半波来模拟芯片中的热量。是基于IPOSIM中使用的计算方法[7]。

　　基于这种方法，可以根据模块的电气参数，计算出IGBT³ [8]和二极管的传导损耗[9] [10]。

　　必须指出的是，参数r、VCE0、rD和VF0均取决于温度T。

　　利用等式3和4，可以计算出功率模块的开关损耗。开关损耗是开关频率fsw与按所施加的电压VDC、电流î和开关能量Eon_nom、Eoff_nom、Erec_nom的乘积[11]。

　　所有必需的参数均摘自功率模块数据表[12]。

温度分布模拟

　　通常，采用RC网络（Cauer模型或Foster模型）来描述功率模块系统的热模型[13]。发热源及模拟实际组件状态的RC网络。R’s和C’s值，基于系统的材料属性和外形尺寸，通过3D瞬态有限元模拟可得出，或者可以通过实验直接测定这两个值。

图3：红外测定IGBT/二极管工作温度