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混合动力汽车功率模块的功率损耗计算解析

发布时间:2019-06-12 09:52 来源:未知 编辑:admin

  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。

  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。

  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150C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,模块栅极驱动条件理想,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]。

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