如何解決混合動(dòng)力汽車功率模塊的穩(wěn)定性問題

　　為了計(jì)算被動(dòng)循環(huán)應(yīng)力的等效試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)，對(duì)表1中的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行了轉(zhuǎn)換。結(jié)果如表3所示。

表3：二極管功率循環(huán)：計(jì)算代表被動(dòng)溫度波動(dòng)的等效循環(huán)次數(shù)

　　熱循環(huán)：與3.1節(jié)中描述的被動(dòng)/主動(dòng)溫度循環(huán)轉(zhuǎn)換，采用了類似的過程。

　　從行駛工況循環(huán)可計(jì)算得出焊接層的最高溫度（圖5）。

表4：焊接層熱循環(huán)：被動(dòng)溫度波動(dòng)的等效循環(huán)次數(shù)

概述

　　圖8和圖9所示為不同參數(shù)的等效試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的比較。

　　功率循環(huán)：在圖8所示的功率循環(huán)次數(shù)（條件：?Ttest=100K、Tj,test=150°C、ton, test = 2s 和參考電流Itest = 400A），是主動(dòng)循環(huán)/被動(dòng)波動(dòng)循環(huán)次數(shù)的總和。

圖8：不同參數(shù)的特定行駛循環(huán)的等效功率循環(huán)次數(shù)

　　熱循環(huán)：在圖9中，熱循環(huán)試驗(yàn)的等效試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)（條件：?T = 80K），是主動(dòng)循環(huán)次數(shù)和被動(dòng)波動(dòng)循環(huán)次數(shù)的總和。

圖9：不同參數(shù)的特定行駛循環(huán)的等效熱循環(huán)次數(shù)

　　在所有情況下，主動(dòng)循環(huán)的影響可以忽略不計(jì)。相對(duì)被動(dòng)溫度波動(dòng)很高的?T，工作過程中焊接層的溫度波動(dòng)幅度很?。?55°C，強(qiáng)制風(fēng)冷）。

聲明

　　盡管這兩個(gè)試驗(yàn)的趨勢(shì)很相似，也無法對(duì)兩個(gè)可靠性試驗(yàn)進(jìn)行比較，因?yàn)樵谶@兩個(gè)試驗(yàn)中?T越高，等效試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)就越多。

　　1）冷卻能力越好，可靠性要求越低。（當(dāng)然，任何人都能做出這樣淺顯的聲明，本文的目的是表明冷卻能力對(duì)可靠性要求有多大的影響。）

　　2）當(dāng)環(huán)境溫度為40°C時(shí)，強(qiáng)制風(fēng)冷的性能與液冷器在70°C環(huán)境溫度下性能類似。

　　3）將冷卻劑溫度從70°C升至95°C，會(huì)使等效循環(huán)次數(shù)翻一番。必須為逆變器配備單獨(dú)（獨(dú)立）的冷卻回路。采用常規(guī)安裝和連接技術(shù)，不能實(shí)現(xiàn)利用125°C的發(fā)動(dòng)機(jī)冷液散熱的設(shè)計(jì)。

　　4）即使模塊未工作，戶外溫度變化也會(huì)使焊接層發(fā)生溫度波動(dòng)。

　　5）使用直接冷卻散熱方式的模塊，將大大降低了對(duì)模塊的可靠性要求。

　　6）提高電池電壓，可使風(fēng)冷系統(tǒng)的功率循環(huán)要求降低4倍；熱要求降低40%。

　　7）更好的冷卻能力，可以減輕母線電壓波動(dòng)的影響。

　　8）避免出現(xiàn)滿負(fù)荷條件下的5個(gè)10秒鐘長(zhǎng)的溫度循環(huán)，可以將對(duì)功率循環(huán)的要求降低60%，對(duì)熱循環(huán)的要求降低40%（對(duì)于強(qiáng)制風(fēng)冷，比較圖8和圖9中的虛線列）。

　　最后兩個(gè)聲明表明，混合動(dòng)力汽車的開發(fā)有必要采用全局性系統(tǒng)方法，包括行駛策略、冷卻系統(tǒng)、電池電壓和模塊的散熱能力。汽車制造商、逆變器供應(yīng)商與功率半導(dǎo)體模塊供應(yīng)商聯(lián)合進(jìn)行開發(fā)，可以避免功率模塊太大，并能降低成本。

結(jié)語

　　如今，大多數(shù)混合動(dòng)力汽車使用的功率模塊。由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)，不同汽車制造商采用的系統(tǒng)大相徑庭，因此不太可能對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行比較。為了使逆變器系統(tǒng)變得更具可比性，本項(xiàng)研究采用了一個(gè)統(tǒng)一的“基礎(chǔ)功率模塊”和一套常見的輸入?yún)?shù)。

　　為了評(píng)估混合動(dòng)力汽車（HEV）功率半導(dǎo)體模塊必須具備的熱/功率循環(huán)穩(wěn)定性，開發(fā)了一個(gè)程序來計(jì)算在特定行駛循環(huán)中，芯片和焊接層的溫度變化。通過將主動(dòng)和被動(dòng)熱應(yīng)力對(duì)焊料和焊接點(diǎn)造成的熱應(yīng)力，轉(zhuǎn)換為可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出等效試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)。

　　在本文中，比較了8套不同的參數(shù)，包括不同的冷卻條件和/或電池電壓。結(jié)果是：汽車制造商、逆變器供應(yīng)商和功率半導(dǎo)體模塊供應(yīng)商應(yīng)聯(lián)合進(jìn)行開發(fā)，有助于通過調(diào)整行駛策略、冷卻系統(tǒng)、電池電壓和模塊的散熱能力，找到經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

備注

　　本模型中使用的變量存在一些其他關(guān)聯(lián)，這使得該模型僅可用于選定數(shù)據(jù)的試驗(yàn)條件范圍。因此，筆者強(qiáng)烈建議在應(yīng)用該模型之前，咨詢英飛凌科技的專家。