如何解决混合动力汽车功率模块的稳定性问题

　　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。