如何解決混合動力汽車功率模塊的穩定性問題

　　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。