混合动力汽车功率模块的功率损耗计算和热仿真

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。

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。

基本条件（输入参数）

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150°C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]。

计算功率损耗

通过计算静态（PDC：导通）和动态（PSW：开关）损耗，可计算出模块的功率损耗。

计算逆变过程中芯片的功率损耗时，使用了正弦半波来模拟芯片中的热量。是基于IPOSIM中使用的计算方法[7]。

基于这种方法，可以根据模块的电气参数，计算出IGBT³ [8]和二极管的传导损耗[9] [10]。

必须指出的是，参数r、VCE0、rD和VF0均取决于温度T。

利用等式3和4，可以计算出功率模块的开关损耗。开关损耗是开关频率fsw与按所施加的电压VDC、电流î和开关能量Eon_nom、Eoff_nom、Erec_nom的乘积[11]。

所有必需的参数均摘自功率模块数据表[12]。

温度分布模拟

通常，采用RC网络（Cauer模型或Foster模型）来描述功率模块系统的热模型[13]。发热源及模拟实际组件状态的RC网络。R’s和C’s值，基于系统的材料属性和外形尺寸，通过3D瞬态有限元模拟可得出，或者可以通过实验直接测定这两个值。

图3：红外测定IGBT/二极管工作温度

RC网络，利用芯片间发热的交叉耦合关系，定义了热阻抗Zth juncTIon ambient参数，描述了IGBT与二极管之间的发热的相互影响。

图4：RC网络（Foster模型）

除典型网络之外，增加了两个元素来表现焊接层。因此，芯片的功率损耗导致焊接层温度升高[6]。

计算热循环造成的焊接疲劳，必须了解的参数为焊接层温度。此外，模型中引入电压源补偿环境温度变化带来的影响。

温度曲线

借助热模型，可以计算出在特定行驶循环的负载条件下，IGBT、二极管和焊接层的温度。

同时，需要考虑功率半导体模块的使用环境，例如，对于安装在驾驶舱附近，并用风冷散热的系统，环境温度设置为40°C（图5）。

图5：在一个3,000秒的行驶循环中，安装在风冷散热器上的功率模块的温度曲线

在本例中，所得到的最高温度分别是Tj max IGBT = 118°C、Tj max diode = 126℃和Tj max solder = 96℃（同时请参见表2）。

引起焊接层和焊接线老化的主要参数不是温度本身，而是温度波动。同时，在仿真中加入了一个自动算法，以计算出温差∆T。

确定∆T发生数

主动循环：图6所示为一个风冷系统中的二极管，特定温度波动的发生次数。幅度低于3 K的温度波动被忽略，因为这种温度波动不会明显缩短组件使用寿命。多数温度波动都低于30°K.温升。只有很少的循环会出现更高的∆T。只观察到5次∆T > 60°K的显著温度波动。这些温度波动是图5中的峰值。

图6：二极管：在一个行驶循环中，不同∆T（α=454W/m² K）的循环次数

叠加在主动温度波动上的，是工作环境造成的被动温度波动。

被动循环：在工作过程中，冷却系统温度升高也会导致温度波动，在计算组件使用寿命时，必须考虑这种温度波动。

假定汽车的使用寿命为15年，每天2个循环，功率模块总共要经历10950个循环。环境温度如表1所示，户外温度从5天-25℃到35天309℃。

表1：环境温度影响工作温度，温升引起冷却系统温度升高，而导致被动温度波动将温升序列的温度波动定义为：行驶循环中的最高温度，与开始时环境温度的温差。（参阅表3）

在可靠性试验中，对器件施加多个不同的温度波动是不现实的。因此，必须确定一个标准∆T。

从汽车工况循环到到功率模块试验循环

焊接疲劳加速老化计算

机械疲劳、材料疲劳或材料变形等模型，通常有与机械应力循环或温度变化相关。使用这种被称为（改良）Coffin-Manson模型的模型，来模拟功率模块反复开关，产生的温度循环，所导致的焊接或其他金属中的裂纹增长。这种经常被引用的等式的式子清楚地表明，结点温度波动幅度很大时，疲劳会导致器件过早发生故障。这个等式的派生等式是两个不同热循环温差范围（∆Tduty_cycle和∆Ttest）故障循环次数之间的关系[14]。尽管该参考资料提到的是不同的指数，本计算采用的指数是3.3。该模型的式子如下：

可以从曲线的∆Tduty_cycle对应的负载循环次数nduty_cycle，计算出特定∆Ttest对应的等效循环次数ntest_cycle。

焊接线加速寿命计算

等式6所示为特定负载条件（电流I、结点温度Tj、工作时间ton和温度波动∆T）计算等效循环次数的公式。

这个方程式也包含了不同温差的比率，但根据大量试验的结果作了修改[15]。

等式7基于等式6，所有任何负载循环i的p变换的总和，得出等效试验循环次数（条件：∆Ttest=100K、Tj,min=50°C、ton, test = 2s 和参考电流Itest = 400A）。

参数差异性

冷却条件

冷却能力：比较了2个风冷系统，1个液冷系统和1直接冷却（带针式散热器的液态冷却系统）系统。

对于风冷系统和液冷系统，假定功率模块底板与散热器之间涂抹了导热硅脂。

通过散热片和模块间的热传递系数α，比较两种冷却系统的冷却能力。（参阅表2：α = 124 W/m²K – 冷却能力较弱的风冷散热器；α = 454 W/m²K – 强制风冷散热器；α = 20000 W/m²K – 冷却能力较强的液冷散热器）

表2：系统参数变化

为了实现从功率模块到散热器的理想热传递，在功率模块底板配有鳍片散热片。这种类型的模块直接安装在开放式液冷散热器上，鳍片直接接触冷却剂。因此，无需使用导热性较差的导热膏。由于底板直接接触冷却液，未定义α值。在这种情况下，冷却液流速表示不同的冷却能力。

图7：带鳍片散热片的底板（HybridPACKTM2）[16] [17]与平板式底板示例

环境温度：如第2.6节所指出，对于风冷系统，最高环境温度设置为40°C，对于液冷系统则定义为70°C/95°C（表2）。

电气参数

电池电压：许多汽车制造商都更倾向将轻度混合动力/电动汽车的动力电池，设定为较低的电压。通过增加电池电芯数量可以实现更高电压，但这显然会导致成本和电池重量的增加。为了了解电池电压VDC对系统的影响，比较了两套电气参数（表2）。

结果

如图1所示，行驶循环过程中温度波动包括，功率模块运行产生的主动温度波动，和工作环境造成的被动温度波动。对于芯片来说，必须考虑IGBT和二极管的最糟情况条件。5次循环最高负载都在二极管上。因此，以二极管为例分析最恶劣情况。

功率循环：对于绑定线焊接脱落的寿命计算，绑定线的最高温度设置为最高芯片温度Tj max。寿命循环建模可以计算在被动/主动循环下的等效功率循环次数。

通过利用等式7，计算出图6中给出的∆T次数，并推导出等效主动循环次数。与被动循环类似，行驶循环次数被设置为10950。

为了计算被动循环应力的等效试验循环次数，对表1中的循环次数进行了转换。结果如表3所示。

表3：二极管功率循环：计算代表被动温度波动的等效循环次数

热循环：与3.1节中描述的被动/主动温度循环转换，采用了类似的过程。

从行驶工况循环可计算得出焊接层的最高温度（图5）。

表4：焊接层热循环：被动温度波动的等效循环次数

概述

图8和图9所示为不同参数的等效试验循环次数的比较。

功率循环：在图8所示的功率循环次数（条件：∆Ttest=100K、Tj,test=150°C、ton, test = 2s 和参考电流Itest = 400A），是主动循环/被动波动循环次数的总和。

图8：不同参数的特定行驶循环的等效功率循环次数

热循环：在图9中，热循环试验的等效试验循环次数（条件：∆T = 80K），是主动循环次数和被动波动循环次数的总和。

图9：不同参数的特定行驶循环的等效热循环次数

在所有情况下，主动循环的影响可以忽略不计。相对被动温度波动很高的∆T，工作过程中焊接层的温度波动幅度很小（< 55°C，强制风冷）。

声明

尽管这两个试验的趋势很相似，也无法对两个可靠性试验进行比较，因为在这两个试验中∆T越高，等效试验循环次数就越多。

1）冷却能力越好，可靠性要求越低。（当然，任何人都能做出这样浅显的声明，本文的目的是表明冷却能力对可靠性要求有多大的影响。）

2）当环境温度为40°C时，强制风冷的性能与液冷器在70°C环境温度下性能类似。

3）将冷却剂温度从70°C升至95°C，会使等效循环次数翻一番。必须为逆变器配备单独（独立）的冷却回路。采用常规安装和连接技术，不能实现利用125°C的发动机冷液散热的设计。

4）即使模块未工作，户外温度变化也会使焊接层发生温度波动。

5）使用直接冷却散热方式的模块，将大大降低了对模块的可靠性要求。

6）提高电池电压，可使风冷系统的功率循环要求降低4倍；热要求降低40%。

7）更好的冷却能力，可以减轻母线电压波动的影响。

8）避免出现满负荷条件下的5个10秒钟长的温度循环，可以将对功率循环的要求降低60%，对热循环的要求降低40%（对于强制风冷，比较图8和图9中的虚线列）。

最后两个声明表明，混合动力汽车的开发有必要采用全局性系统方法，包括行驶策略、冷却系统、电池电压和模块的散热能力。汽车制造商、逆变器供应商与功率半导体模块供应商联合进行开发，可以避免功率模块太大，并能降低成本。

结语

如今，大多数混合动力汽车使用的功率模块。由于缺乏标准，不同汽车制造商采用的系统大相径庭，因此不太可能对这些系统进行比较。为了使逆变器系统变得更具可比性，本项研究采用了一个统一的“基础功率模块”和一套常见的输入参数。

为了评估混合动力汽车（HEV）功率半导体模块必须具备的热/功率循环稳定性，开发了一个程序来计算在特定行驶循环中，芯片和焊接层的温度变化。通过将主动和被动热应力对焊料和焊接点造成的热应力，转换为可靠性试验数据，计算出等效试验循环次数。

在本文中，比较了8套不同的参数，包括不同的冷却条件和/或电池电压。结果是：汽车制造商、逆变器供应商和功率半导体模块供应商应联合进行开发，有助于通过调整行驶策略、冷却系统、电池电压和模块的散热能力，找到经济高效的解决方案。

备注

本模型中使用的变量存在一些其他关联，这使得该模型仅可用于选定数据的试验条件范围。因此，笔者强烈建议在应用该模型之前，咨询英飞凌科技的专家。