廈門配電箱為了使這些系統更具可比性，本項研究采取了一個適用于分歧冷卻系統的、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參數集，廈門配電箱例如行駛循環、廈門配電箱電機類型、甚至半導體的電氣特性等。同時廈門配電箱，廈門配電箱為簡化計較，廈門配電箱疏忽了分歧駕駛策略的影響。 在電力電子系統中，功率半導體模塊溫度及溫度波動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體模塊的功率損耗計較和熱仿真模型。開辟了一個程序來計較整個行駛循環期間的溫度。 通過計較出從功率半導體模塊至冷卻系統的溫度散布，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靠得住性試驗數據，廈門配電箱可以預測出功率半導體模塊的使用壽命。 從行駛循環到靠得住性試驗 靠得住性試驗 在使用壽命期內，模塊要承受情況（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情況溫度，包含對（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靠得住性，及評估模塊在貯存、運輸或使用歷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。周期性施加電流會致使溫度快速轉變，會致使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。 研究體例 圖1依照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，關頭電氣參數特性集，進而計較出典型循環次數，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：計較等效試驗循環次數的一般體例。在本項研究中，只有紅色參數是變量。 根基條件（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。 選擇了一個業內普遍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以內的輕度同化動力電動汽車應用[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含多個啟停序列和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，雖然這有可能低估整個逆變器系統中的功率損耗。因此，通過計較最卑鄙工況條件下的功率損耗（最高溫度）來抵償[6]。 計較功率損耗 通過計較靜態（PDC：導通）和動態（PSW：開關）損耗，可計較出模塊的功率損耗。 計較逆變歷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中使用的計較體例[7]。 基于這種體例，可以依照模塊的電氣參數，計較出IGBT? [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，可以計較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?和開關能量Eon_nom、Eoff_nom、Erec_nom的乘積[11]。 所有必須的參數均摘自功率模塊數據表[12]。 溫度散布模擬 通常，采取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，或可以通過實驗直接測定這兩個值。 圖3：紅外測定IGBT/二極督工作溫度 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示焊接層。因此，芯片的功率損耗致使焊接層溫度升高[6]。 計較熱循環造成的焊接疲勞，必須了解的參數為焊接層溫度。另外，模型中引入電壓源抵償情況溫度轉變帶來的影響。 溫度曲線 借助熱模型，可以計較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，需要斟酌功率半導體模塊的使用情況，例如，對安裝在駕駛艙四周，并用風冷散熱的系統，情況溫度設置為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℃（同時請拜見表2）。 引起焊接層和焊接線老化的主要參數不是溫度自己，而是溫度波動。同時，在仿真中插手了一個自動算法，以計較出溫差?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的溫度波動被疏忽，因為這種溫度波動不會明顯縮短組件使用壽命。大都溫度波動都低于30°K.溫升。只有很少的循環會呈現更高的?T。只不雅觀察到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，分歧?T（α=454W/m? K）的循環次數 疊加在主動溫度波動上的，是工作情況造成的被動溫度波動。 被動循環：在工作歷程中，冷卻系統溫度升高也會致使溫度波動，在計較組件使用壽命時，必須斟酌這種溫度波動。 假定汽車的使用壽命為15年，每天2個循環，功率模塊總共要履歷10950個循環。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，溫升引起冷卻系統溫度升高，而致使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，與起頭時情況溫度的溫差。（參閱表3） 在靠得住性試驗中，對器件施加多個分歧的溫度波動是不現實的。因此，必須確定一個尺度?T。 從汽車工況循環到到功率模塊試驗循環 廈門配電箱焊接疲勞加快老化計較 廈門配電箱機械疲勞、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轉變相關。廈門配電箱使用這種被稱為（改進）Coffin-Manson模型的模型，來模廈門配電箱擬功率模塊頻頻開關，發生的溫度循環，所致使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白，結點溫度波動幅度很大時，疲勞會致使器件過早發生故障。這個等式的派生等式是兩個分歧熱循環溫差范圍（?Tduty_cycle和?Ttest）故障循環次數之間的關系[14]。雖然該參考資料提到的是分歧的指數，本計較采取的指數是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，計較出特定?Ttest對應的等效循環次數ntest_cycle。 焊接線加快壽命計較 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）計較等效循環次數的公式。 這個方程式也包含了分歧溫差的比率，但依照大量試驗的成果作了修改[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）。 參數差別性 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/m?K – 冷廈門配電箱卻能力較弱的風冷散熱器；α = 454 W/m?K – 強制風冷散熱器；α = 20000 W/m?K – 冷卻能力較強的液冷散熱器） 表2：廈門配電箱系統參數轉變 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節所指出，對風冷系統，最高情況溫度設置為40°C，對液冷系統則定義為70°C/95°C（表2）。 廈門配電箱電氣參數 電池電壓：許多汽車制造商都更傾向將輕度同化動力/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，但這顯然會致使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）。 成果 如圖1所示，行駛循環歷程中溫度波動包含，功率模塊運行發生的主動溫度波動，和工作情況造成的被動溫度波動。對芯片來說，必須斟酌IGBT和二極管的最糟情況條件。5次循環最高負載都在二極管上。因此，以二極管為例分析最卑鄙情況。
