Несмотря на разнообразие требований в различных областях применения, во всех случаях основное внимание уделяется разработке надежной технологии герметизации силовых модулей. Наиболее распространенными решениями для герметизации сегодня являются паяные модули с задней пластиной и без нее, а в последнее время — модули без задней пластины, использующие технологию спекания. Эти технологии герметизации имеют различные преимущества и недостатки, поэтому при проектировании с учетом срока службы необходимо оценивать эти технологии в соответствии с требованиями для гибридных и электромобилей. Изменения температуры окружающей среды, например, в цикле охлаждающей жидкости, приводят к пассивным термическим циклам. Кроме того, потери мощности, происходящие в силовых полупроводниках, вызывают кратковременные (5-20 секунд) повышения температуры от T = 40 °C до 60 °C. При этом силовые полупроводники нагреваются, например, от температуры охлаждающей жидкости 70 °C до более чем 110–130 °C, а затем охлаждаются обратно до температуры охлаждающей жидкости. Из-за изменяющихся коэффициентов теплового расширения используемых материалов все эти температурные колебания приводят к механическим напряжениям. Это вызывает усталость в паяных соединениях и контактах, что в конечном итоге приводит к выходу компонента из строя.
Исключение паяных соединений:
В модулях без материнской платы, использующих технологию контактного прилегания, применяются различные методы для повышения надежности модуля. Последовательное исключение паяных соединений позволяет полностью устранить усталость припоя — фундаментальную механическую неисправность силовых модулей. В данном случае паяные соединения между микросхемами и керамической подложкой (DBC) заменяются спеченным слоем, а соединение осуществляется с помощью технологии контактного прилегания. Отсутствие материнской платы имеет несколько преимуществ: во-первых, можно уменьшить толщину слоя термопасты между модулем и радиатором. Термопаста является одним из основных факторов, влияющих на общее тепловое сопротивление силового модуля; поэтому следует использовать максимально тонкий слой термопасты. В модулях с материнской платой требуется слой термопасты толщиной 75–150 мкм для компенсации гибкости материнской платы. В модулях без материнской платы основная проблема заключается в компенсации шероховатости поверхности радиатора и поверхности DBC, поэтому достаточно слоя термопасты толщиной 20-30 мкм. Удаление материнской платы устраняет одну из основных причин теплового напряжения (см. рис. 1).
Эффективно снижается температурное напряжение и повышается надежность, что продемонстрировано в пассивных ускоренных испытаниях на термоудар при 40°C/125°C: для спеченных модулей без опорной пластины количество потенциальных термоударов увеличилось в 15 раз. Еще одним преимуществом исключения припоя на межсоединениях и опорной пластине является то, что в модулях с опорной пластиной необходимо минимизировать площадь зон DBC (зоны DBC), чтобы уменьшить усталость материала в местах пайки; здесь высокая теплопроводность опорной пластины обеспечивает необходимую диффузию тепла. В отличие от этого, в конструкции модуля без опорной пластины площадь зон DBC может быть больше.
Оптимальное распределение тепла
В данной работе анализируется размещение IGBT-транзисторов и обратноходового диода в трехфазном инверторном модуле на 400 А, 600 В. В модулях с опорной пластиной на каждый полупроводниковый переключатель используются два IGBT-транзистора на 200 А и два обратноходовых диода на 200 А. Полная фаза состоит из четырех IGBT-транзисторов и четырех обратноходовых диодов. Наиболее оптимизированная конфигурация для модулей без опорной пластины — четыре IGBT-транзистора на 100 А и два обратноходовых диода на 200 А на каждый переключатель (восемь IGBT-транзисторов и четыре обратноходовых диода на фазу). Это означает, что площадь основания трехфазного модуля без опорной пластины будет примерно на 10% больше, чем у модуля с опорной пластиной (см. рис. 2).
При работе инвертора возникают потери проводимости и переключения, то есть силовые полупроводники являются локальным источником тепла. С помощью трехмерных расчетов методом конечных элементов можно рассчитать тепловую диффузию в модуле инвертора и радиаторе для любого заданного рабочего состояния. Например, при ускорении гибридного или электромобиля большая часть потерь мощности происходит в IGBT-транзисторах, в то время как обратноходовые диоды подвергаются меньшей нагрузке (см. рисунок 3).
Таким образом, на тепловом изображении места расположения IGBT-транзисторов выглядят как мощные источники тепла. В случае модулей с опорной пластиной тепло концентрируется в центре трехфазной конфигурации. Из-за конечного положения полупроводников и малого расстояния между фазами температура IGBT-транзисторов в этой точке является одной из самых высоких. Хотя в этом рабочем состоянии диоды свободного хода подвергаются лишь умеренной нагрузке, IGBT-транзисторы вызывают значительное повышение температуры диодов в центре модуля. На концах инверторного модуля температура диодов, напротив, на 15 °C ниже. Несмотря на наличие опорной пластины, силовые полупроводники во внешних областях инверторного модуля постепенно охлаждаются сильнее, чем в центре. Это в конечном итоге приводит к неоднородному распределению тепла по трем фазам: средняя тепловая нагрузка IGBT-транзисторов в центральной фазе почти на 10 °C выше, чем средняя температура IGBT-транзисторов во внешней фазе. Разница между максимальной и минимальной температурами IGBT-транзисторов превышает 20 °C. Центральная фаза ограничивает полезную электрическую мощность всего инверторного модуля. Это имеет два следствия: во-первых, условия охлаждения и нагрузка должны быть выбраны таким образом, чтобы предотвратить чрезмерно высокие температуры в центральной фазе; во-вторых, механизмы отказов, вызванные перегревом, оказывают более сильное воздействие в центральной фазе. Это означает, что инженер-проектировщик силовой схемы инвертора всегда должен учитывать температуру центральной фазы.
В модулях SKiM без задней пластины распределение тепла гораздо более однородно: здесь также наиболее сильными источниками тепла являются места расположения IGBT-транзисторов. Однако, поскольку тепловые потери распределены по нескольким точкам, а расстояние между DBC-транзисторами больше, для рассеивания тепла доступно больше пространства. Возникающие потери могут эффективно рассеиваться, уменьшая взаимный нагрев между IGBT-транзисторами и диодами. Оптимальное рассеивание тепла также обеспечивает однородное распределение нагрузки по различным фазам: температура IGBT-транзисторов и диодов по трем фазам инвертора однородна, а средняя температура IGBT-транзисторов в трех фазах практически одинакова. Максимальная разница температур между IGBT-транзисторами составляет не более 10 °C. Нагрузка распределяется равномерно, что позволяет оптимально использовать имеющуюся мощность охлаждения и, таким образом, упрощает общую конструкцию системы. Кроме того, датчики температуры на каждой керамической подложке DBC-транзистора позволяют проводить отдельную оценку отдельных фаз, предоставляя дополнительную возможность мониторинга рабочих температур.
Температура и срок службы:
Для анализа фактической тепловой нагрузки работающего инвертора необходимо учитывать зависящие от времени нагрузки. Во время реальной эксплуатации гибридного или электромобиля возникают несколько состояний нагрузки: во время разгона автомобиля IGBT-транзисторы находятся под высокой нагрузкой, а во время замедления, когда происходит рекуперация энергии и заряжается батарея электродвигателя, диоды обратного хода находятся под наибольшей нагрузкой. Для описания зависящего от времени нагрева модуля инвертора необходимо также исследовать поведение силового модуля при циклах зарядки в диапазоне от 0,1 до 30 секунд. Тепловое сопротивление IGBT-транзисторов увеличивается со временем для обеих конфигураций в зависимости от длительности зарядных импульсов (см. рисунок 4). Начинается теплопередача, распространяющаяся от силовых полупроводников к радиатору, что приводит к нагреву всего модуля. Если зарядные импульсы длятся более 30 секунд, весь модуль нагреется, и тепловое сопротивление перестанет увеличиваться.
Теперь значения теплового сопротивления, зависящие от времени, можно использовать для расчета тепловой нагрузки, действующей на полупроводниковые переключатели во время работы. Для этого используются реальные циклы зарядки, которые происходят в реальных условиях эксплуатации, для моделирования типичных состояний зарядки и длительности зарядных импульсов. Рассмотрим пример цикла в гибридных автомобилях. В течение начальной фазы запуска и фаз ускорения энергия отбирается от батареи и используется для питания электродвигателя. В этих фазах ускорения выходная мощность достигает 60 кВт. Температура IGBT-транзисторов линейно повышается до 95 °C в соответствии с выходной мощностью инвертора (см. рис. 5). В фазах постоянной скорости от инвертора требуется очень мало мощности, и температура полупроводников снова снижается. Во время замедления цель состоит в том, чтобы восстановить как можно больше энергии для возврата в батарею. В этом случае потери мощности как IGBT-транзисторов, так и диодов примерно одинаковы, в то время как выделяемое тепло достигает максимального уровня, и температура IGBT-транзисторов составляет почти 110 °C.
Максимальное повышение температуры IGBT составляет ΔT = 40 °C. С точки зрения срока службы модуля это эквивалентно 6 миллионам циклов зарядки (см. рисунок 6). Однородное распределение температуры настолько важно для срока службы инвертора и влияет на его конструкцию, что если повышение температуры всего на 10 °C выше – ΔT = 50 °C – количество возможных циклов зарядки сокращается в три раза, до всего лишь 2 миллионов циклов. Для обеспечения долговечности конструкции и оптимизации использования полупроводников однородная структура потерь абсолютно необходима.
заключение
, спеченные модули без задней пластины открывают широкий спектр возможностей для повышения надежности инверторов для гибридных и электромобилей. Устраняются недостатки паяных соединений и переменное температурное расширение задней пластины. Оптимизированная конструкция обеспечивает в значительной степени однородное распределение температуры по всем силовым полупроводникам во время работы. Это означает, что при расчете ожидаемого срока службы все три фазы могут рассматриваться в равной степени, что упрощает проектирование инвертора. Надежность инвертора значительно повышается даже при значительных колебаниях активной и пассивной температуры. Это подтверждается разнообразными областями применения спеченных модулей без задней пластины, такими как электрические силовые установки, автомобили и коммерческий транспорт, а также в таких требовательных областях применения, как гоночные автомобили.
Автор:
Д-р Фолькер Демут, менеджер по продукции компании SEMIKRON
