混合動力汽車功率模塊的功率損耗計算和熱仿真

通常，混合動力汽車同時具備內燃機引擎和電力馬達驅動系統，并利用功率半導體模塊來實現電力馬達的速度調節。通常功率半導體模塊在車輛上的冷卻方式主要為風冷和液態冷卻。不同汽車制造商設計的混合動力系統大相徑庭，直接并無可比性。除冷卻系統之外，功率半導體模塊封裝甚至半導體技術本身都各不相同。

為了使這些系統更具可比性，本項研究采用了一個適用于不同冷卻系統的、被稱為HybridPACK的通用“基礎功率模塊”。在配置中采用了一套基本輸入參數集，例如行駛循環、電機類型、甚至半導體的電氣特性等。同時，為簡化計算，忽略了不同駕駛策略的影響。

在電力電子系統中，功率半導體模塊溫度及溫度波動對可靠性有較大的影響。為此，基于功率半導體模塊的功率損耗計算和熱仿真模型。開發了一個程序來計算整個行駛循環期間的溫度。

通過計算出從功率半導體模塊至冷卻系統的溫度分布，可以評估出模塊各部分受到的熱應力，諸如焊接點或鍵合點等。通過將熱應力轉換為可靠性試驗數據，可以預測出功率半導體模塊的使用壽命。

從行駛循環到可靠性試驗

可靠性試驗

在使用壽命期內，模塊要承受環境（氣候）造成的被動溫度波動，及因模塊運行發熱造成的主動溫度循環。溫度循環和功率循環試驗，可以模擬以上幾種情況對模塊壽命的影響。

溫度循環：在溫度循環試驗中，在沒有電氣應力的情況下，改變功率半導體模塊的環境溫度，包括對（TST：熱沖擊試驗）和（TC：熱循環試驗）。這項實驗主要用于評估焊接點的可靠性，及評估模塊在貯存、運輸或使用過程中對可能發生的溫度突變的耐受性。

功率循環：功率循環（PC）試驗可用于確定功率模塊內部半導體芯片和內部連接點焊接，在通過周期性電流時，對熱應力和機械應力的耐受性。周期性施加電流會導致溫度快速變化，會導致綁定線機械位置波動。功率循環試驗對高溫條件下的工作壽命預期分析具有代表性[1]。

熱應力造成的主要故障是IGBT模塊的內部焊接疲勞和焊接線脫落。

研究方法

圖1根據逆變器系統的冷卻條件和行駛策略（行駛工況曲線、電機和行駛控制）信息，可得出功率模塊的在特定工況下，關鍵電氣參數特性集，進而計算出典型循環次數，以評估功率模塊的壽命，在本項研究中，幾個紅色參數是變量。

圖1：計算等效試驗循環次數的一般方法。在本項研究中，只有紅色參數是變量。

基本條件（輸入參數）

為了不受行駛條件、電機特性以及芯片特性的影響，選擇了一個常見的輸入參數集。

選擇了一個業內廣泛應用的功率半導體模塊。這個類型的模塊經專門設計，適用于最高功率在20 kW以內的輕度混合動力電動汽車應用[2]。針對高達150°C的工作節溫設計，該模塊為6管合一的IGBT設計，最高額定電流為400A/650V。

典型汽車行駛循環工況包括多個啟停序列和5個滿負荷條件下的10秒鐘長的恢復循環，繪制出任務曲線。并假定，模塊柵極驅動條件理想，盡管這有可能低估整個逆變器系統中的功率損耗。因此，通過計算最惡劣工況條件下的功率損耗（最高溫度）來補償[6]。

計算功率損耗

通過計算靜態（PDC：導通）和動態（PSW：開關）損耗，可計算出模塊的功率損耗。

計算逆變過程中芯片的功率損耗時，使用了正弦半波來模擬芯片中的熱量。是基于IPOSIM中使用的計算方法[7]。

基于這種方法，可以根據模塊的電氣參數，計算出IGBT³ [8]和二極管的傳導損耗[9] [10]。

必須指出的是，參數r、VCE0、rD和VF0均取決于溫度T。

利用等式3和4，可以計算出功率模塊的開關損耗。開關損耗是開關頻率fsw與按所施加的電壓VDC、電流î和開關能量Eon_nom、Eoff_nom、Erec_nom的乘積[11]。

所有必需的參數均摘自功率模塊數據表[12]。

溫度分布模擬

通常，采用RC網絡（Cauer模型或Foster模型）來描述功率模塊系統的熱模型[13]。發熱源及模擬實際組件狀態的RC網絡。R’s和C’s值，基于系統的材料屬性和外形尺寸，通過3D瞬態有限元模擬可得出，或者可以通過實驗直接測定這兩個值。

圖3：紅外測定IGBT/二極管工作溫度

RC網絡，利用芯片間發熱的交叉耦合關系，定義了熱阻抗Zth juncTIon ambient參數，描述了IGBT與二極管之間的發熱的相互影響。

圖4：RC網絡（Foster模型）

除典型網絡之外，增加了兩個元素來表現焊接層。因此，芯片的功率損耗導致焊接層溫度升高[6]。

計算熱循環造成的焊接疲勞，必須了解的參數為焊接層溫度。此外，模型中引入電壓源補償環境溫度變化帶來的影響。

溫度曲線

借助熱模型，可以計算出在特定行駛循環的負載條件下，IGBT、二極管和焊接層的溫度。

同時，需要考慮功率半導體模塊的使用環境，例如，對于安裝在駕駛艙附近，并用風冷散熱的系統，環境溫度設置為40°C（圖5）。

圖5：在一個3,000秒的行駛循環中，安裝在風冷散熱器上的功率模塊的溫度曲線

在本例中，所得到的最高溫度分別是Tj max IGBT = 118°C、Tj max diode = 126℃和Tj max solder = 96℃（同時請參見表2）。

引起焊接層和焊接線老化的主要參數不是溫度本身，而是溫度波動。同時，在仿真中加入了一個自動算法，以計算出溫差T。

確定T發生數

主動循環：圖6所示為一個風冷系統中的二極管，特定溫度波動的發生次數。幅度低于3 K的溫度波動被忽略，因為這種溫度波動不會明顯縮短組件使用壽命。多數溫度波動都低于30°K.溫升。只有很少的循環會出現更高的T。只觀察到5次T > 60°K的顯著溫度波動。這些溫度波動是圖5中的峰值。

圖6：二極管：在一個行駛循環中，不同T（α=454W/m² K）的循環次數

疊加在主動溫度波動上的，是工作環境造成的被動溫度波動。

被動循環：在工作過程中，冷卻系統溫度升高也會導致溫度波動，在計算組件使用壽命時，必須考慮這種溫度波動。

假定汽車的使用壽命為15年，每天2個循環，功率模塊總共要經歷10950個循環。環境溫度如表1所示，戶外溫度從5天-25℃到35天309℃。

表1：環境溫度影響工作溫度，溫升引起冷卻系統溫度升高，而導致被動溫度波動將溫升序列的溫度波動定義為：行駛循環中的最高溫度，與開始時環境溫度的溫差。（參閱表3）

在可靠性試驗中，對器件施加多個不同的溫度波動是不現實的。因此，必須確定一個標準T。

從汽車工況循環到到功率模塊試驗循環

焊接疲勞加速老化計算

機械疲勞、材料疲勞或材料變形等模型，通常有與機械應力循環或溫度變化相關。使用這種被稱為（改良）Coffin-Manson模型的模型，來模擬功率模塊反復開關，產生的溫度循環，所導致的焊接或其他金屬中的裂紋增長。這種經常被引用的等式的式子清楚地表明，結點溫度波動幅度很大時，疲勞會導致器件過早發生故障。這個等式的派生等式是兩個不同熱循環溫差范圍（Tduty_cycle和Ttest）故障循環次數之間的關系[14]。盡管該參考資料提到的是不同的指數，本計算采用的指數是3.3。該模型的式子如下：

可以從曲線的Tduty_cycle對應的負載循環次數nduty_cycle，計算出特定Ttest對應的等效循環次數ntest_cycle。

焊接線加速壽命計算

等式6所示為特定負載條件（電流I、結點溫度Tj、工作時間ton和溫度波動T）計算等效循環次數的公式。

這個方程式也包含了不同溫差的比率，但根據大量試驗的結果作了修改[15]。

等式7基于等式6，所有任何負載循環i的p變換的總和，得出等效試驗循環次數（條件：Ttest=100K、Tj,min=50°C、ton, test = 2s 和參考電流Itest = 400A）。

參數差異性

冷卻條件

冷卻能力：比較了2個風冷系統，1個液冷系統和1直接冷卻（帶針式散熱器的液態冷卻系統）系統。

對于風冷系統和液冷系統，假定功率模塊底板與散熱器之間涂抹了導熱硅脂。

通過散熱片和模塊間的熱傳遞系數α，比較兩種冷卻系統的冷卻能力。（參閱表2：α = 124 W/m²K – 冷卻能力較弱的風冷散熱器；α = 454 W/m²K – 強制風冷散熱器；α = 20000 W/m²K – 冷卻能力較強的液冷散熱器）

表2：系統參數變化

為了實現從功率模塊到散熱器的理想熱傳遞，在功率模塊底板配有鰭片散熱片。這種類型的模塊直接安裝在開放式液冷散熱器上，鰭片直接接觸冷卻劑。因此，無需使用導熱性較差的導熱膏。由于底板直接接觸冷卻液，未定義α值。在這種情況下，冷卻液流速表示不同的冷卻能力。

圖7：帶鰭片散熱片的底板（HybridPACKTM2）[16] [17]與平板式底板示例

環境溫度：如第2.6節所指出，對于風冷系統，最高環境溫度設置為40°C，對于液冷系統則定義為70°C/95°C（表2）。

電氣參數

電池電壓：許多汽車制造商都更傾向將輕度混合動力/電動汽車的動力電池，設定為較低的電壓。通過增加電池電芯數量可以實現更高電壓，但這顯然會導致成本和電池重量的增加。為了了解電池電壓VDC對系統的影響，比較了兩套電氣參數（表2）。

結果

如圖1所示，行駛循環過程中溫度波動包括，功率模塊運行產生的主動溫度波動，和工作環境造成的被動溫度波動。對于芯片來說，必須考慮IGBT和二極管的最糟情況條件。5次循環最高負載都在二極管上。因此，以二極管為例分析最惡劣情況。

功率循環：對于綁定線焊接脫落的壽命計算，綁定線的最高溫度設置為最高芯片溫度Tj max。壽命循環建模可以計算在被動/主動循環下的等效功率循環次數。

通過利用等式7，計算出圖6中給出的T次數，并推導出等效主動循環次數。與被動循環類似，行駛循環次數被設置為10950。

為了計算被動循環應力的等效試驗循環次數，對表1中的循環次數進行了轉換。結果如表3所示。

表3：二極管功率循環：計算代表被動溫度波動的等效循環次數

熱循環：與3.1節中描述的被動/主動溫度循環轉換，采用了類似的過程。

從行駛工況循環可計算得出焊接層的最高溫度（圖5）。

表4：焊接層熱循環：被動溫度波動的等效循環次數

概述

圖8和圖9所示為不同參數的等效試驗循環次數的比較。

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

圖8：不同參數的特定行駛循環的等效功率循環次數

熱循環：在圖9中，熱循環試驗的等效試驗循環次數（條件：T = 80K），是主動循環次數和被動波動循環次數的總和。

圖9：不同參數的特定行駛循環的等效熱循環次數

在所有情況下，主動循環的影響可以忽略不計。相對被動溫度波動很高的T，工作過程中焊接層的溫度波動幅度很小（ 55°C，強制風冷）。

聲明

盡管這兩個試驗的趨勢很相似，也無法對兩個可靠性試驗進行比較，因為在這兩個試驗中T越高，等效試驗循環次數就越多。

1）冷卻能力越好，可靠性要求越低。（當然，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可靠性要求有多大的影響。）

2）當環境溫度為40°C時，強制風冷的性能與液冷器在70°C環境溫度下性能類似。

3）將冷卻劑溫度從70°C升至95°C，會使等效循環次數翻一番。必須為逆變器配備單獨（獨立）的冷卻回路。采用常規安裝和連接技術，不能實現利用125°C的發動機冷液散熱的設計。

4）即使模塊未工作，戶外溫度變化也會使焊接層發生溫度波動。

5）使用直接冷卻散熱方式的模塊，將大大降低了對模塊的可靠性要求。

6）提高電池電壓，可使風冷系統的功率循環要求降低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的影響。

8）避免出現滿負荷條件下的5個10秒鐘長的溫度循環，可以將對功率循環的要求降低60%，對熱循環的要求降低40%（對于強制風冷，比較圖8和圖9中的虛線列）。

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

結語

如今，大多數混合動力汽車使用的功率模塊。由于缺乏標準，不同汽車制造商采用的系統大相徑庭，因此不太可能對這些系統進行比較。為了使逆變器系統變得更具可比性，本項研究采用了一個統一的“基礎功率模塊”和一套常見的輸入參數。

為了評估混合動力汽車（HEV）功率半導體模塊必須具備的熱/功率循環穩定性，開發了一個程序來計算在特定行駛循環中，芯片和焊接層的溫度變化。通過將主動和被動熱應力對焊料和焊接點造成的熱應力，轉換為可靠性試驗數據，計算出等效試驗循環次數。

在本文中，比較了8套不同的參數，包括不同的冷卻條件和/或電池電壓。結果是：汽車制造商、逆變器供應商和功率半導體模塊供應商應聯合進行開發，有助于通過調整行駛策略、冷卻系統、電池電壓和模塊的散熱能力，找到經濟高效的解決方案。

備注

本模型中使用的變量存在一些其他關聯，這使得該模型僅可用于選定數據的試驗條件范圍。因此，筆者強烈建議在應用該模型之前，咨詢英飛凌科技的專家。