摘要
汽车用功率半导体模块的的使用寿命取决于其工作环境和基于运行工况对其提出的稳定性要求。为了评估用于混合动力汽车（HEV）功率半导体模块所具备的热循环、功率循环能力，使用了汽车行驶工况循环曲线来计算模块的热可靠性要求。这种计算是基于模块损耗、热仿真模型和模块寿命模型。本文通过将功率模块连接至不同的冷却系统，探讨了主动/被动热应力条件下，诸如IGBT芯片焊接或绑定线连接等键合点
1. 导言
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。
2. 从行驶循环到可靠性试验
2.1 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。
2.2 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。
图内文字：
Electrical characteristics：电气特性
Motor + drive control：电机+行驶控制
Mission profile：工况曲线
Loss calculation：损耗计算
Loss profile：损耗曲线
Cooling conditions (diode)：冷却条件（二极管）
Thermal simulation：热仿真
Temperature profile (diode/ solder)：温度曲线（二极管/焊点）
Climatic conditions：气候条件
Calculation of ∆T occurrence：计算∆T发生数
Cycle numbers with different ∆T：不同∆T的循环次数
Lift time modeling：寿命周期建模
Number of required test cycles with fixed ∆T：固定∆T对应的试验循环次数
2.3 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。
图2：基本模块基于HybridPACK™1 [3] [4] [5]
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]。
2.4 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]。
2.5 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 |
