混合动力汽车功率模块的功率损耗计算和热仿真

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  •    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。

     

    混合动力汽车功率模块的功率损耗计算和热仿真

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