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)
图内文字:
Model solder DCB/ baseplate:焊料模型DCB/底板
Average solder temperature:焊料平均温度
Cross coupling IGBT:耦合IGBT
Cross coupling Diode:耦合二极管
Model IGBT:IGBT模型
Temperature IGBT:IGBT温度
IGBT passive (Cross coupling Diode):IGBT被动温度(耦合二极管发热温升)
IGBT active (IGBT):IGBT主动温度(IGBT温度)
Model Diode:二极管模型
Temperature Diode:二极管温度
Diode passive (Cross coupling IGBT):二极管被动温度(耦合IGBT发热温升)
Diode active (Diode):二极管主动温度(二极管温度)
Ambient/ coolant temperature:环境/冷却液温度
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。
2.6 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
图内文字:
Ambient temperature:环境温度
Air cooler:风冷散热
Time [s]:时间
在本例中,所得到的最高温度分别是Tj max IGBT = 118°C、Tj max diode = 126°C和Tj max solder = 96°C(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。
2.7 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°C到35天30°C。
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。
3. 从汽车工况循环到到功率模块试验循环
3.1 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。
3.2 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)。
4. 参数差异性
4.1 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)
| 冷却效率
| 电气参数
| 最高温度
|
| αeff
[W/m2K]
| VDC
[V]
| Irms
[A]
| 环境
[°C]
| IGBT
[°C]
| 二极管
[°C]
| 焊料
[°C]
| 风冷器
| 124
| 150
| 150
| 40
| 150
| 157
| 128
| 强制通风风冷器
| 454
| 150
| 150
| 40
| 118
| 126
| 96
| 强制通风风冷器
| 454
| 300
| 80
| 40
| 94
| 100
| 79
|
|
|
|
|
|
|
|
| 液冷器
| 20000
| 150
| 150
| 70
| 124
| 129
| 97
| 液冷器
| 20000
| 150
| 150
| 95
| 149
| 154
| 122
|
|
|
|
|
|
|
|
| 直冷散热片
| 10l/分钟
| 150
| 150
| 70
| 100
| 107
| 85
| 直冷散热片
| 10l/分钟
| 300
| 80
| 70
| 90
| 95
| 80
| 直冷散热片
| 10l/分钟
| 150
| 150
| 95
| 128
| 135
| 111
|
|