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廈門配電箱為了使這些系統(tǒng)更具可比性，本項(xiàng)研究采取了一個(gè)適用于分歧冷卻系統(tǒng)的、被稱為HybridPACK的通用“根本功率模塊”。在配置中采取了一套根基輸入?yún)?shù)集，廈門配電箱例如行駛循環(huán)、廈門配電箱電機(jī)類型、甚至半導(dǎo)體的電氣特性等。同時(shí)廈門配電箱，廈門配電箱為簡化計(jì)較，廈門配電箱疏忽了分歧駕駛策略的影響。 　　在電力電子系統(tǒng)中，功率半導(dǎo)體模塊溫度及溫度波動(dòng)對靠得住性有較大廈門配電箱的影響。為此，廈門配電箱基于功率半導(dǎo)體模塊的功率損耗計(jì)較和熱仿真模型。開辟了一個(gè)程序來計(jì)較整個(gè)行駛循環(huán)期間的溫度。 　　通過計(jì)較出從功率半導(dǎo)體模塊至冷卻系統(tǒng)的溫度散布，可以評估出模塊各部分受到的熱應(yīng)力，諸如焊接點(diǎn)或鍵合點(diǎn)等。通過將熱應(yīng)力轉(zhuǎn)換為靠得住性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，廈門配電箱可以預(yù)測出功率半導(dǎo)體模塊的使用壽命。 　　從行駛循環(huán)到靠得住性試驗(yàn) 　　靠得住性試驗(yàn) 　　在使用壽命期內(nèi)，模塊要承受情況（氣候）造成的被動(dòng)溫度波動(dòng)，及因模塊運(yùn)行發(fā)熱造成的主動(dòng)溫度循環(huán)。溫度循環(huán)和功率循環(huán)試驗(yàn)，可以模擬以上幾種情況對模塊壽命的影響。 　　溫度循環(huán)：在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，在沒有電氣應(yīng)力的情況下，改變功率半導(dǎo)體模塊的情況溫度，包含對（TST：熱沖擊試驗(yàn)）和（TC：熱循環(huán)試驗(yàn)）。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)主要用于評估焊接點(diǎn)的靠得住性，及評估模塊在貯存、運(yùn)輸或使用歷程中對可能發(fā)生的溫度突變的耐受性。 　　功率循環(huán)：功率循環(huán)（PC）試驗(yàn)可用于確定功率模塊內(nèi)部半導(dǎo)體芯片和內(nèi)部連接點(diǎn)焊接，在通過周期性電流時(shí)，對熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的耐受性。周期性施加電流會(huì)致使溫度快速轉(zhuǎn)變，會(huì)致使綁定線機(jī)械位置波動(dòng)。功率循環(huán)試驗(yàn)對高溫條件下的工作壽命預(yù)期分析具有代表性[1]。 　　熱應(yīng)力造成的主要故障是IGBT模塊的內(nèi)部焊接疲勞和焊接線脫落。 　　研究體例 　　圖1依照逆變器系統(tǒng)的冷卻條件和行駛策略（行駛工況曲線、電機(jī)和行駛控制）信息，可得出功率模塊的在特定工況下，關(guān)頭電氣參數(shù)特性集，進(jìn)而計(jì)較出典型循環(huán)次數(shù)，以評估功率模塊的壽命，在本項(xiàng)研究中，幾個(gè)紅色參數(shù)是變量。 　　 　　圖1：計(jì)較等效試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的一般體例。在本項(xiàng)研究中，只有紅色參數(shù)是變量。 　　根基條件（輸入?yún)?shù)） 　　為了不受行駛條件、電機(jī)特性以及芯片特性的影響，選擇了一個(gè)常見的輸入?yún)?shù)集。 　　選擇了一個(gè)業(yè)內(nèi)普遍應(yīng)用的功率半導(dǎo)體模塊。這個(gè)類型的模塊經(jīng)專門設(shè)計(jì)，適用于最高功率在20 kW以內(nèi)的輕度同化動(dòng)力電動(dòng)汽車應(yīng)用[2]。針對高達(dá)150°C的工作節(jié)溫設(shè)計(jì)，該模塊為6管合一的IGBT設(shè)計(jì)，最高額定電流為400A/650V。 　　典型汽車行駛循環(huán)工況包含多個(gè)啟停序列和5個(gè)滿負(fù)荷條件下的10秒鐘長的恢復(fù)循環(huán)，繪制出任務(wù)曲線。并假定，模塊柵極驅(qū)動(dòng)條件理想，雖然這有可能低估整個(gè)逆變器系統(tǒng)中的功率損耗。因此，通過計(jì)較最卑鄙工況條件下的功率損耗（最高溫度）來抵償[6]。 　　計(jì)較功率損耗 　　通過計(jì)較靜態(tài)（PDC：導(dǎo)通）和動(dòng)態(tài)（PSW：開關(guān)）損耗，可計(jì)較出模塊的功率損耗。 　　計(jì)較逆變歷程中芯片的功率損耗時(shí)，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(jì)較體例[7]。 　　基于這種體例，可以依照模塊的電氣參數(shù)，計(jì)較出IGBT? [8]和二極管的傳導(dǎo)損耗[9] [10]。 　　 　　必須指出的是，參數(shù)r、VCE0、rD和VF0均取決于溫度T。 　　利用等式3和4，可以計(jì)較出功率模塊的開關(guān)損耗。開關(guān)損耗是開關(guān)頻率fsw與按所施加的電壓VDC、電流?和開關(guān)能量Eon_nom、Eoff_nom、Erec_nom的乘積[11]。 　　 　　所有必須的參數(shù)均摘自功率模塊數(shù)據(jù)表[12]。 　　溫度散布模擬 　　通常，采取RC網(wǎng)絡(luò)（Cauer模型或Foster模型）來描述功率模塊系統(tǒng)的熱模型[13]。發(fā)熱源及模擬實(shí)際組件狀態(tài)的RC網(wǎng)絡(luò)。R’s和C’s值，基于系統(tǒng)的材料屬性和外形尺寸，通過3D瞬態(tài)有限元模擬可得出，或可以通過實(shí)驗(yàn)直接測定這兩個(gè)值。 　　 　　圖3：紅外測定IGBT/二極督工作溫度 　　RC網(wǎng)絡(luò)，利用芯片間發(fā)熱的交叉耦合關(guān)系，定義了熱阻抗Zth juncTIon ambient參數(shù)，描述了IGBT與二極管之間的發(fā)熱的相互影響。 　　 　　圖4：RC網(wǎng)絡(luò)（Foster模型） 　　除典型網(wǎng)絡(luò)之外，增加了兩個(gè)元素來表示焊接層。因此，芯片的功率損耗致使焊接層溫度升高[6]。 　　計(jì)較熱循環(huán)造成的焊接疲勞，必須了解的參數(shù)為焊接層溫度。另外，模型中引入電壓源抵償情況溫度轉(zhuǎn)變帶來的影響。 　　溫度曲線 　　借助熱模型，可以計(jì)較出在特定行駛循環(huán)的負(fù)載條件下，IGBT、二極管和焊接層的溫度。 　　同時(shí)，需要斟酌功率半導(dǎo)體模塊的使用情況，例如，對安裝在駕駛艙四周，并用風(fēng)冷散熱的系統(tǒng)，情況溫度設(shè)置為40°C（圖5）。 　　 　　圖5：在一個(gè)3,000秒的行駛循環(huán)中，安裝在風(fēng)冷散熱器上的功率模塊的溫度曲線 　　在本例中，所取得的最高溫度分袂是Tj max IGBT = 118°C、Tj max diode = 126℃和Tj max solder = 96℃（同時(shí)請拜見表2）。 　　引起焊接層和焊接線老化的主要參數(shù)不是溫度自己，而是溫度波動(dòng)。同時(shí)，在仿真中插手了一個(gè)自動(dòng)算法，以計(jì)較出溫差?T。 　　確定?T發(fā)生數(shù) 　　主動(dòng)循環(huán)：圖6所示為一個(gè)風(fēng)冷系統(tǒng)中的二極管，特定溫度波動(dòng)的發(fā)生次數(shù)。幅度低于3 K的溫度波動(dòng)被疏忽，因?yàn)檫@種溫度波動(dòng)不會(huì)明顯縮短組件使用壽命。大都溫度波動(dòng)都低于30°K.溫升。只有很少的循環(huán)會(huì)呈現(xiàn)更高的?T。只不雅觀察到5次?T > 60°K的顯著溫度波動(dòng)。這些溫度波動(dòng)是圖5中的峰值。 　　 　　圖6：二極管：在一個(gè)行駛循環(huán)中，分歧?T（α=454W/m? K）的循環(huán)次數(shù) 　　疊加在主動(dòng)溫度波動(dòng)上的，是工作情況造成的被動(dòng)溫度波動(dòng)。 　　被動(dòng)循環(huán)：在工作歷程中，冷卻系統(tǒng)溫度升高也會(huì)致使溫度波動(dòng)，在計(jì)較組件使用壽命時(shí)，必須斟酌這種溫度波動(dòng)。 　　假定汽車的使用壽命為15年，每天2個(gè)循環(huán)，功率模塊總共要履歷10950個(gè)循環(huán)。情況溫度如表1所示，戶外溫度從5天-25℃到35天309℃。 　　 　　表1：情況溫度影響工作溫度，溫升引起冷卻系統(tǒng)溫度升高，而致使被動(dòng)溫度波動(dòng)將溫升序列的溫度波動(dòng)定義為：行駛循環(huán)中的最高溫度，與起頭時(shí)情況溫度的溫差。（參閱表3） 　　在靠得住性試驗(yàn)中，對器件施加多個(gè)分歧的溫度波動(dòng)是不現(xiàn)實(shí)的。因此，必須確定一個(gè)尺度?T。 　　從汽車工況循環(huán)到到功率模塊試驗(yàn)循環(huán) 　　廈門配電箱焊接疲勞加快老化計(jì)較 　　廈門配電箱機(jī)械疲勞、材料疲勞或材料變形等模型，通常有與機(jī)械應(yīng)力循環(huán)或溫度轉(zhuǎn)變相關(guān)。廈門配電箱使用這種被稱為（改進(jìn)）Coffin-Manson模型的模型，來模廈門配電箱擬功率模塊頻頻開關(guān)，發(fā)生的溫度循環(huán)，所致使的焊接或其他金屬中的裂紋增長。這種經(jīng)常被引用的等式的式子清楚地表白，結(jié)點(diǎn)溫度波動(dòng)幅度很大時(shí)，疲勞會(huì)致使器件過早發(fā)生故障。這個(gè)等式的派生等式是兩個(gè)分歧熱循環(huán)溫差范圍（?Tduty_cycle和?Ttest）故障循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系[14]。雖然該參考資料提到的是分歧的指數(shù)，本計(jì)較采取的指數(shù)是3.3。該模型的式子如下： 　　 　　可以從曲線的?Tduty_cycle對應(yīng)的負(fù)載循環(huán)次數(shù)nduty_cycle，計(jì)較出特定?Ttest對應(yīng)的等效循環(huán)次數(shù)ntest_cycle。 　　焊接線加快壽命計(jì)較 　　等式6所示為特定負(fù)載條件（電流I、結(jié)點(diǎn)溫度Tj、工作時(shí)間ton和溫度波動(dòng)?T）計(jì)較等效循環(huán)次數(shù)的公式。 　　 　　這個(gè)方程式也包含了分歧溫差的比率，但依照大量試驗(yàn)的成果作了修改[15]。 　　等式7基于等式6，所有任何負(fù)載循環(huán)i的p變換的總和，得出等效試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)（條件：?Ttest=100K、Tj,min=50°C、ton, test = 2s 和參考電流Itest = 400A）。 　　 　　參數(shù)差別性 　　冷卻條件 　　冷卻能力：比較了2個(gè)風(fēng)冷系統(tǒng)，1個(gè)液冷系統(tǒng)和1直接冷卻（帶針式散熱器的液態(tài)冷卻系統(tǒng)）系統(tǒng)。 對風(fēng)冷系統(tǒng)和液冷系統(tǒng)，假定功率模塊底板與散熱器之間涂抹了導(dǎo)熱硅脂。 　　通過散熱片和模塊間的熱傳遞系數(shù)α，比較兩種冷卻系統(tǒng)的冷卻能力。（參閱表2：α = 124 W/m?K – 冷廈門配電箱卻能力較弱的風(fēng)冷散熱器；α = 454 W/m?K – 強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器；α = 20000 W/m?K – 冷卻能力較強(qiáng)的液冷散熱器） 　　 　　表2：廈門配電箱系統(tǒng)參數(shù)轉(zhuǎn)變 　　為了實(shí)現(xiàn)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(dǎo)熱性較差的導(dǎo)熱膏。由于底板直接接觸冷卻液，未定義α值。在這種情況下，冷卻液流速暗示分歧的冷卻能力。 　　 　　圖7：帶鰭片散熱片的底板（HybridPACKTM2）[16] [17]與平板式底板示例 　　情況溫度：如第2.6節(jié)所指出，對風(fēng)冷系統(tǒng)，最高情況溫度設(shè)置為40°C，對液冷系統(tǒng)則定義為70°C/95°C（表2）。 　　廈門配電箱電氣參數(shù) 　　電池電壓：許多汽車制造商都更傾向?qū)⑤p度同化動(dòng)力/電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池，設(shè)定為較低的電壓。通過增加電池電芯數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)更高電壓，但這顯然會(huì)致使成本和電池重量的增加。為了了解電池電壓VDC對系統(tǒng)的影響，比較了兩套電氣參數(shù)（表2）。 　　成果 　　如圖1所示，行駛循環(huán)歷程中溫度波動(dòng)包含，功率模塊運(yùn)行發(fā)生的主動(dòng)溫度波動(dòng)，和工作情況造成的被動(dòng)溫度波動(dòng)。對芯片來說，必須斟酌IGBT和二極管的最糟情況條件。5次循環(huán)最高負(fù)載都在二極管上。因此，以二極管為例分析最卑鄙情況。