混合动力汽车功率模块的功率损耗计算和热仿真

2011-07-27 08:55:18来源: 互联网

   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。

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

RC网络,利用芯片间发热的交叉耦合关系,定义了热阻抗Zth juncTIon ambient参数,描述了IGBT与二极管之间的发热的相互影响。


图4:RC网络(Foster模型)

除典型网络之外,增加了两个元素来表现焊接层。因此,芯片的功率损耗导致焊接层温度升高[6]。

计算热循环造成的焊接疲劳,必须了解的参数为焊接层温度。此外,模型中引入电压源补偿环境温度变化带来的影响。

温度曲线

借助热模型,可以计算出在特定行驶循环的负载条件下,IGBT、二极管和焊接层的温度。

同时,需要考虑功率半导体模块的使用环境,例如,对于安装在驾驶舱附近,并用风冷散热的系统,环境温度设置为40°C(图5)。


图5:在一个3,000秒的行驶循环中,安装在风冷散热器上的功率模块的温度曲线

在本例中,所得到的最高温度分别是Tj max IGBT = 118°C、Tj max diode = 126℃和Tj max solder = 96℃(同时请参见表2)。

引起焊接层和焊接线老化的主要参数不是温度本身,而是温度波动。同时,在仿真中加入了一个自动算法,以计算出温差∆T。

确定∆T发生数

主动循环:图6所示为一个风冷系统中的二极管,特定温度波动的发生次数。幅度低于3 K的温度波动被忽略,因为这种温度波动不会明显缩短组件使用寿命。多数温度波动都低于30°K.温升。只有很少的循环会出现更高的∆T。只观察到5次∆T > 60°K的显著温度波动。这些温度波动是图5中的峰值。


图6:二极管:在一个行驶循环中,不同∆T(α=454W/m² K)的循环次数

叠加在主动温度波动上的,是工作环境造成的被动温度波动。

被动循环:在工作过程中,冷却系统温度升高也会导致温度波动,在计算组件使用寿命时,必须考虑这种温度波动。

假定汽车的使用寿命为15年,每天2个循环,功率模块总共要经历10950个循环。环境温度如表1所示,户外温度从5天-25℃到35天309℃。


表1:环境温度影响工作温度,温升引起冷却系统温度升高,而导致被动温度波动将温升序列的温度波动定义为:行驶循环中的最高温度,与开始时环境温度的温差。(参阅表3)

在可靠性试验中,对器件施加多个不同的温度波动是不现实的。因此,必须确定一个标准∆T。

从汽车工况循环到到功率模块试验循环

焊接疲劳加速老化计算

机械疲劳、材料疲劳或材料变形等模型,通常有与机械应力循环或温度变化相关。使用这种被称为(改良)Coffin-Manson模型的模型,来模拟功率模块反复开关,产生的温度循环,所导致的焊接或其他金属中的裂纹增长。这种经常被引用的等式的式子清楚地表明,结点温度波动幅度很大时,疲劳会导致器件过早发生故障。这个等式的派生等式是两个不同热循环温差范围(∆Tduty_cycle和∆Ttest)故障循环次数之间的关系[14]。尽管该参考资料提到的是不同的指数,本计算采用的指数是3.3。该模型的式子如下:

 

可以从曲线的∆Tduty_cycle对应的负载循环次数nduty_cycle,计算出特定∆Ttest对应的等效循环次数ntest_cycle。

焊接线加速寿命计算

等式6所示为特定负载条件(电流I、结点温度Tj、工作时间ton和温度波动∆T)计算等效循环次数的公式。

 

这个方程式也包含了不同温差的比率,但根据大量试验的结果作了修改[15]。

等式7基于等式6,所有任何负载循环i的p变换的总和,得出等效试验循环次数(条件:∆Ttest=100K、Tj,min=50°C、ton, test = 2s 和参考电流Itest = 400A)。

 

参数差异性

冷却条件

冷却能力:比较了2个风冷系统,1个液冷系统和1直接冷却(带针式散热器的液态冷却系统)系统。

对于风冷系统和液冷系统,假定功率模块底板与散热器之间涂抹了导热硅脂。

通过散热片和模块间的热传递系数α,比较两种冷却系统的冷却能力。(参阅表2:α = 124 W/m²K – 冷却能力较弱的风冷散热器;α = 454 W/m²K – 强制风冷散热器;α = 20000 W/m²K – 冷却能力较强的液冷散热器)

 


表2:系统参数变化

为了实现从功率模块到散热器的理想热传递,在功率模块底板配有鳍片散热片。这种类型的模块直接安装在开放式液冷散热器上,鳍片直接接触冷却剂。因此,无需使用导热性较差的导热膏。由于底板直接接触冷却液,未定义α值。在这种情况下,冷却液流速表示不同的冷却能力。

 


图7:带鳍片散热片的底板(HybridPACKTM2)[16] [17]与平板式底板示例

环境温度:如第2.6节所指出,对于风冷系统,最高环境温度设置为40°C,对于液冷系统则定义为70°C/95°C(表2)。

电气参数

电池电压:许多汽车制造商都更倾向将轻度混合动力/电动汽车的动力电池,设定为较低的电压。通过增加电池电芯数量可以实现更高电压,但这显然会导致成本和电池重量的增加。为了了解电池电压VDC对系统的影响,比较了两套电气参数(表2)。

结果

如图1所示,行驶循环过程中温度波动包括,功率模块运行产生的主动温度波动,和工作环境造成的被动温度波动。对于芯片来说,必须考虑IGBT和二极管的最糟情况条件。5次循环最高负载都在二极管上。因此,以二极管为例分析最恶劣情况。

功率循环:对于绑定线焊接脱落的寿命计算,绑定线的最高温度设置为最高芯片温度Tj max。寿命循环建模可以计算在被动/主动循环下的等效功率循环次数。

通过利用等式7,计算出图6中给出的∆T次数,并推导出等效主动循环次数。与被动循环类似,行驶循环次数被设置为10950。

为了计算被动循环应力的等效试验循环次数,对表1中的循环次数进行了转换。结果如表3所示。

 

表3:二极管功率循环:计算代表被动温度波动的等效循环次数

热循环:与3.1节中描述的被动/主动温度循环转换,采用了类似的过程。

从行驶工况循环可计算得出焊接层的最高温度(图5)。

 

表4:焊接层热循环:被动温度波动的等效循环次数

概述

图8和图9所示为不同参数的等效试验循环次数的比较。

功率循环:在图8所示的功率循环次数(条件:∆Ttest=100K、Tj,test=150°C、ton, test = 2s 和参考电流Itest = 400A),是主动循环/被动波动循环次数的总和。


图8:不同参数的特定行驶循环的等效功率循环次数

热循环:在图9中,热循环试验的等效试验循环次数(条件:∆T = 80K),是主动循环次数和被动波动循环次数的总和。


图9:不同参数的特定行驶循环的等效热循环次数

在所有情况下,主动循环的影响可以忽略不计。相对被动温度波动很高的∆T,工作过程中焊接层的温度波动幅度很小(< 55°C,强制风冷)。

声明

尽管这两个试验的趋势很相似,也无法对两个可靠性试验进行比较,因为在这两个试验中∆T越高,等效试验循环次数就越多。

1)冷却能力越好,可靠性要求越低。(当然,任何人都能做出这样浅显的声明,本文的目的是表明冷却能力对可靠性要求有多大的影响。)

2)当环境温度为40°C时,强制风冷的性能与液冷器在70°C环境温度下性能类似。

3)将冷却剂温度从70°C升至95°C,会使等效循环次数翻一番。必须为逆变器配备单独(独立)的冷却回路。采用常规安装和连接技术,不能实现利用125°C的发动机冷液散热的设计。

4)即使模块未工作,户外温度变化也会使焊接层发生温度波动。

5)使用直接冷却散热方式的模块,将大大降低了对模块的可靠性要求。

6)提高电池电压,可使风冷系统的功率循环要求降低4倍;热要求降低40%。

7)更好的冷却能力,可以减轻母线电压波动的影响。

8)避免出现满负荷条件下的5个10秒钟长的温度循环,可以将对功率循环的要求降低60%,对热循环的要求降低40%(对于强制风冷,比较图8和图9中的虚线列)。

最后两个声明表明,混合动力汽车的开发有必要采用全局性系统方法,包括行驶策略、冷却系统、电池电压和模块的散热能力。汽车制造商、逆变器供应商与功率半导体模块供应商联合进行开发,可以避免功率模块太大,并能降低成本。

结语

如今,大多数混合动力汽车使用的功率模块。由于缺乏标准,不同汽车制造商采用的系统大相径庭,因此不太可能对这些系统进行比较。为了使逆变器系统变得更具可比性,本项研究采用了一个统一的“基础功率模块”和一套常见的输入参数。

为了评估混合动力汽车(HEV)功率半导体模块必须具备的热/功率循环稳定性,开发了一个程序来计算在特定行驶循环中,芯片和焊接层的温度变化。通过将主动和被动热应力对焊料和焊接点造成的热应力,转换为可靠性试验数据,计算出等效试验循环次数。

在本文中,比较了8套不同的参数,包括不同的冷却条件和/或电池电压。结果是:汽车制造商、逆变器供应商和功率半导体模块供应商应联合进行开发,有助于通过调整行驶策略、冷却系统、电池电压和模块的散热能力,找到经济高效的解决方案。

备注

本模型中使用的变量存在一些其他关联,这使得该模型仅可用于选定数据的试验条件范围。因此,笔者强烈建议在应用该模型之前,咨询英飞凌科技的专家。

关键字:混合动力汽车  汽车  功率  模块

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0727/article_7585.html
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