電驅(qū)逆變器是業(yè)界公認(rèn)的混動(dòng)車(chē)和電動(dòng)車(chē)的核心部件,從最初的幾十千瓦,到現(xiàn)在的數(shù)百千瓦,它們對(duì)額定功率的要求越來(lái)越高?中高功率逆變器要求功率模塊的標(biāo)稱(chēng)電流高達(dá)數(shù)百至數(shù)千安培?只能通過(guò)并聯(lián)多個(gè)裸片,有時(shí)并聯(lián)多個(gè)子模塊(在同一個(gè)封裝基板上集成多個(gè)裸片),甚至多個(gè)功率模塊,才能達(dá)到如此高的電流[1]?

在這種情況下,重量?尺寸和成本是制約功率模塊設(shè)計(jì)的主要因素?最初使用IGBT設(shè)計(jì)的三相半橋逆變器解決方案已經(jīng)非常普及,目前采用性能更高的碳化硅功率模塊設(shè)計(jì)逆變器是一種新趨勢(shì)?功率模塊設(shè)計(jì)通常是熱性能和電性能之間的權(quán)衡與折衷?設(shè)計(jì)良好的功率模塊,能夠在上下橋臂開(kāi)關(guān)管之間以及開(kāi)關(guān)管內(nèi)部裸片之間均衡分配電流,前提是它們的靜態(tài)參數(shù)差異不大?此外,良好的電路布局意味著,只有裸片之間互熱效應(yīng)合理,熱應(yīng)力才能分布均衡[1]?

本文介紹一個(gè)電驅(qū)逆變器模塊連續(xù)工作測(cè)溫系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)步驟和過(guò)程,并分析了影響功率模塊使用壽命的并聯(lián)碳化硅裸片之間的熱失衡現(xiàn)象?電路布局引起的寄生元件和靜態(tài)參數(shù)(例如,通態(tài)電阻和閾值電壓)是引起并聯(lián)器件熱失衡的主要因素?論文[2]中詳細(xì)論述了電路布局的不對(duì)稱(chēng)性,它會(huì)影響柵極到源極環(huán)路,引起串聯(lián)電感,并導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)環(huán)路不匹配,從而嚴(yán)重影響并聯(lián)器件的動(dòng)態(tài)性能?

論文[3]中描述了如何通過(guò)紅外熱像儀圖像分析功率模塊在穩(wěn)態(tài)下的熱失衡問(wèn)題?雖然通態(tài)電阻分布范圍是一個(gè)重要的靜態(tài)參數(shù),但是電阻與溫度的關(guān)系將會(huì)補(bǔ)償通態(tài)電阻的分布范圍?事實(shí)上,芯片升溫將會(huì)減輕漏源通態(tài)電阻自然分布范圍引起的熱失衡現(xiàn)象?

本文將重點(diǎn)討論另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù):閾值電壓(Vth),它對(duì)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷性能影響很大,從而影響功率開(kāi)關(guān)的能量損耗?兩個(gè)并聯(lián)芯片之間的閾壓Vth差會(huì)導(dǎo)致能耗失衡,最終影響整個(gè)功率模塊的性能?論文[4]詳細(xì)地描述了Vth對(duì)開(kāi)關(guān)能耗的影響,證明當(dāng)Vth升高500mV時(shí),導(dǎo)通狀態(tài)耗散功率升幅可能高達(dá)40%?

根據(jù)這個(gè)論據(jù),我們認(rèn)為有必要建立一個(gè)能夠在正常工作條件下直接測(cè)量開(kāi)關(guān)溫度的測(cè)溫系統(tǒng),以評(píng)估和表征功率模塊內(nèi)不同裸片的散熱性能?不僅在生產(chǎn)線(xiàn)上設(shè)法最大限度縮窄工藝的參數(shù)分布范圍,包括閾壓Vth的分布范圍,還需要根據(jù)模塊內(nèi)距離最近的兩個(gè)芯片之間的微小差異,在模塊組裝層面采取進(jìn)一步的改善行動(dòng)?我們利用這一概念組裝了兩個(gè)不同的功率模塊:第一個(gè)模塊叫做GAP1,內(nèi)部裸片閾壓Vth的最大分布范圍是250mV(圍繞平均值+/- 125mV),第二個(gè)模塊叫做GAP2,Vth的最大變化范圍是500mV(圍繞平均值+/-250mV)?采用兩個(gè)不同的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行測(cè)試:電驅(qū)逆變器的典型工作頻率8kHz和12kHz?眾所周知,耗散功率的增加與開(kāi)關(guān)頻率成正比?

我們的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng),使我們能夠在更接近電驅(qū)逆變器的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中測(cè)量功率芯片的溫度?因此,必須從適合的機(jī)械部件以及液壓?電氣和電子組件開(kāi)始,使所有組件都指向上述目標(biāo)?下圖是已實(shí)現(xiàn)的最終溫度測(cè)試系統(tǒng)的框圖?

測(cè)溫系統(tǒng)的液壓部分是由冷水機(jī)?進(jìn)水閥?出水閥組成,冷卻液在液壓管道內(nèi)循環(huán)流動(dòng),為被測(cè)溫裝置散熱?進(jìn)水閥溫度和流量以及水套(水箱)的外觀尺寸是決定逆變器尺寸的重要參數(shù),因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懛庋b的RTH熱阻率?冷卻液是乙二醇和水的50%-50%混合物,這是變頻冷卻器回路中常見(jiàn)的冷卻液配制方法?為了測(cè)量冷卻液的流量,在被測(cè)溫裝置前面連接一個(gè)流量計(jì),在我們的實(shí)驗(yàn)中,冷卻液流量設(shè)為每分鐘3.7升?采用溫度計(jì)檢測(cè)功率模塊進(jìn)水閥的冷卻液溫度何時(shí)達(dá)到65℃的參考溫度?鋁制散熱器為功率模塊散熱,功率模塊的柵極信號(hào)由專(zhuān)門(mén)的柵極驅(qū)動(dòng)板提供?圖2是測(cè)溫實(shí)驗(yàn)設(shè)置?

下面是設(shè)備清單

表1:測(cè)試設(shè)備

我們?cè)谝粋€(gè)連續(xù)高頻工作的碳化硅三相功率模塊上進(jìn)行熱分析?特別是,把功率模塊的中間橋臂斷開(kāi),將橋臂U和橋臂W的交流端子連接1.2mH的電感負(fù)載,獲得一個(gè)全橋拓?fù)?圖3)?

如何通過(guò)多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊是在開(kāi)發(fā)測(cè)溫系統(tǒng)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)因素?第一級(jí)(電源)利用DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器提供+18V和5V電壓,這是開(kāi)關(guān)操作所需的電源?第二級(jí)(主板)包含驅(qū)動(dòng)器和通斷電阻,用于驅(qū)動(dòng)電荷注入柵源極電容器,以免在開(kāi)關(guān)過(guò)程中達(dá)到器件的擊穿電壓?下圖是這些板的3D模型?

最后一級(jí)是由Nucleo STM32微控制器板實(shí)現(xiàn)的控制模塊?該模塊采用單極PWM控制方法,用相同信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)對(duì)角線(xiàn)上的開(kāi)關(guān)?互補(bǔ)信號(hào)及所需的死區(qū)時(shí)間用于驅(qū)動(dòng)第二對(duì)角線(xiàn)上的功率開(kāi)關(guān)?根據(jù)負(fù)荷工況和實(shí)際工作條件,設(shè)置PWM信號(hào)的占空比,以獲得峰值電流達(dá)到設(shè)計(jì)要求的正弦電流波形?圖4所示是PWM互補(bǔ)信號(hào)和負(fù)載電流(460 A Imax)的相關(guān)波形?

柵極驅(qū)動(dòng)板安裝在功率模塊上面,如上圖所示?兩塊板子是金字塔形狀和互補(bǔ)結(jié)構(gòu),通過(guò)排針插接在一起,以最大限度地減少走線(xiàn)距離?驅(qū)動(dòng)板上的寄生元件和信號(hào)傳播延遲?

在下圖中,可以看到所使用的測(cè)試工具以及直流母線(xiàn)和微控制器板?因?yàn)楦哳l電流會(huì)流經(jīng)匯流排,所以,在設(shè)計(jì)階段應(yīng)特別注意匯流排的正確尺寸?板上有兩個(gè)開(kāi)孔,方便我們直接觀察被測(cè)芯片,并用紅外熱像儀測(cè)量結(jié)溫(TJ)?

被測(cè)溫SiC功率模塊的特性如下:25℃時(shí)通態(tài)電阻典型值RdsON=1.9mΩ(每個(gè)開(kāi)關(guān)),標(biāo)稱(chēng)電流Iphase=340A,擊穿電壓Vb=1200V?圖7所示是全橋轉(zhuǎn)換器的一個(gè)橋臂:每個(gè)開(kāi)關(guān)都是由八個(gè)并聯(lián)的裸片組成?在下圖中,我們可以看到被測(cè)溫器件的內(nèi)部電路布局,并確定組成上下橋臂開(kāi)關(guān)的八個(gè)裸片的位置?

測(cè)試電壓和電流分別是400V母線(xiàn)電壓和200Hz 340 Arms正弦相電流,使用8kHz和12kHz兩種開(kāi)關(guān)頻率測(cè)試在不同耗散功率時(shí)的熱失衡現(xiàn)象[3]?

溫度測(cè)量的目的是量化全橋32個(gè)芯片中溫度最高和最低的芯片之間的溫差,比較GAP 1模塊和GAP 2模塊在相同開(kāi)關(guān)頻率條件下的散熱性能?

值得一提的是,為了使實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到要求,對(duì)FLIR E-76熱像儀進(jìn)行了預(yù)表征測(cè)量過(guò)程,涉及的主要參數(shù)包括安裝位置角度,以及與表面材料和外部光線(xiàn)條件相關(guān)的發(fā)射系數(shù)?在50°C至175°C的穩(wěn)態(tài)溫度范圍內(nèi),通過(guò)熱板給功率模塊加熱來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)?最后,對(duì)照熱板溫度設(shè)定值檢查NTC讀數(shù),確保二者一致?

只有完成實(shí)驗(yàn)裝置校準(zhǔn)后,才開(kāi)始拍攝熱圖像?圖8和圖9所示是GAP 1模塊在開(kāi)關(guān)頻率12kHz時(shí)的紅外熱圖像,同時(shí)給出了開(kāi)關(guān)內(nèi)每個(gè)芯片的結(jié)溫測(cè)量值?

下圖是橋臂W在開(kāi)關(guān)頻率12 kHz時(shí)的紅外熱圖像?

在GAP 2模塊上做同樣的測(cè)溫實(shí)驗(yàn)?圖中上面的八顆裸片屬于上橋臂開(kāi)關(guān),而下面的八顆裸片屬于下橋臂開(kāi)關(guān)?在8kHz和12kHz開(kāi)關(guān)頻率條件下,分別對(duì)GAP 1模塊和GAP 2模塊進(jìn)行了溫度分析?下表匯總了測(cè)量分析結(jié)果,報(bào)告了每個(gè)步驟測(cè)得的最大溫度和最小溫度?

表二:測(cè)試結(jié)果

在GAP 1模塊中,溫度最高和最低芯片的溫差,在8kHz時(shí)為4.4°C,在12kHz時(shí)為4.6°C?在根據(jù)選型標(biāo)準(zhǔn)選擇Vth的GAP 2模塊中,8kHz時(shí)的熱增量為6.3°C,12kHz時(shí)為8.7°C?

測(cè)試表明,減小并聯(lián)碳化硅芯片的閾壓差可以極大地降低芯片之間的溫差?此外,隨著開(kāi)關(guān)頻率提高,通過(guò)減小裸片閾壓差的方式降低溫差的方法變得更加有效,特別是,在測(cè)試中,溫差在8kHz時(shí)降低了25%,在開(kāi)關(guān)頻率為12kHz時(shí)降低了近50%?引起開(kāi)關(guān)耗散功率的因素包括Eon?Eoff和二極管反向恢復(fù)損耗,當(dāng)然還有開(kāi)關(guān)頻率?

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,對(duì)于給定的選型標(biāo)準(zhǔn),提高開(kāi)關(guān)頻率降低溫差的方法無(wú)論如何不如降低閾壓分布范圍更有效?由于測(cè)量過(guò)程中存在許多技術(shù)問(wèn)題,其中包括總線(xiàn)過(guò)熱和電源電壓紋波,因此,無(wú)法在上一代電動(dòng)汽車(chē)的典型標(biāo)稱(chēng)電池電壓下執(zhí)行測(cè)試?預(yù)計(jì)這將會(huì)擴(kuò)大溫差,因此,從選型標(biāo)準(zhǔn)或器件閾壓范圍開(kāi)始,能夠預(yù)測(cè)結(jié)溫?zé)岵黄胶獾臄?shù)學(xué)模型將非常有幫助?