Рубрики
Силовые разъемы

Главное — не перегреть! Силовые модули для гибридного и электронного транспорта

Главное — не перегреть! Силовые модули для гибридного и электронного транспорта Фолкер Демут (Volker Demuth) Перевод и комменты: Андрей Колпаков Силовые ключи, работающие в инверторах

Главное — не перегреть! Силовые модули для гибридного и электронного транспорта Фолкер Демут (Volker Demuth) Перевод и комменты: Андрей Колпаков

Силовые ключи, работающие в инверторах транспортных приводов, подвергаются неизменному воздействию больших перепадов температуры. Жесткие термические режимы и неоптимальные условия остывания ограничивают мощностные свойства силовых модулей и уменьшают срок их службы. Для внедрения на транспорте нужна разработка специализированных компонент, способных работать в жестких погодных критериях и выдерживать более 3 млн активных термоциклов. Внедрение последних поколений полупроводниковых кристаллов и внедрение новейших технологий корпусирования является главным фактором обеспечения надежности транспортного привода.

В текущее время в авто применениях работает около 4% от полного количества выпускаемых в мире силовых модулей. Ожидается, что в наиблежайшие годы этот сектор будет расти со скоростью более 20% в год. Современная силовая электроника делает необыкновенно широкие способности для развития разных видов электротранспорта, электроприводы необходимы в гибридных грузовиках и автобусах, сельскохозяйственных машинах, электро- и гибридомобилях, строй машинах и т. п.

Так как определенные требования к инвертору в высочайшей степени зависят от области внедрения, усилия производителей силовых модулей ориентированы сначала на обеспечение их высочайшей надежности. Произнесенное касается полупроводниковых кристаллов и технологий их корпусирования. Самым всераспространенным методом соединения кремниевых чипов с глиняной DBC-подложкой в стандартных и «безбазовых» модулях до недавнешнего времени была пайка. С 2008 года компания SEMIKRON стала внедрять технологию низкотемпературного спекания серебряной нанопасты. Эти способы имеют свои плюсы и недочеты, в рамках данной статьи больший энтузиазм представляет вопрос, касающийся их применимости для электронного и гибридного транспорта.

Главное — не перегреть! Силовые модули для гибридного и электронного транспорта

Конфигурации температуры среды, к примеру при жидкостном охлаждении, делают так именуемые пассивные термоциклы. В дополнение к ним утраты мощности силовых полупроводников приводят к краткосрочным (5-20 с) колебаниям температуры с градиентом ΔΤ от 40 до 60 °C, именуемым активными термоциклами. Из-за различия коэффициентов термического расширения (КТР) сопрягающихся материалов каждый таковой цикл делает термомеханический стресс, что в итоге приводит к скоплению вялости в соединительных слоях и их постепенному разрушению [1].

Неувязка паяных соединений

Внедрение технологии прижимающего контакта и исключение базисной платы в модулях серии SKiiP, разработанных сначала 1990-х годов, позволило значительно повысить надежность и стойкость к термоциклированию (рис. 1). Устранение паяных связей отдало возможность избавиться от основной предпосылки отказов компонент классической конструкции — скопления вялости в жестких контактных слоях. Последующим шагом стало внедрение технологии низкотемпературного спекания чипов, в итоге чего обычная пайка была заменена еще более размеренным соединением при помощи серебряной пасты [2]. Температура плавления серебра в 6 раз выше, чем у хоть какого из применяемых в индустрии припоев, не считая того, этот материал обладает наилучшей теплопроводимостью и поболее высочайшей механической гибкостью.

Главное — не перегреть! Силовые модули для гибридного и электронного транспорта

Рис. 1. Поперечное сечение модуля SKiM: а) с базисной платой; б) без нее

Прижимающие модули имеют очередное бесспорное преимущество: отсутствие так именуемого «биметаллического эффекта» позволяет более чем в 3 раза уменьшить толщину слоя теплопроводящей пасты при установке на радиатор. Отметим, что теплопрово-дящий материал заносит значимый вклад в общее значение термического сопротивления силового модуля. У компонент классической конструкции номинальное значение толщины слоя пасты составляет 75-100 мкм, что нужно для компенсации извива базы вследствие упомянутого выше эффекта. Для прижимающих модулей данная величина составляет 20-30 мкм и она определяется сначала неоднородностью и шероховатостью поверхности радиатора и DBC-подложки.

В итоге обрисованных мер удалось значительно понизить уровень термомеханических стрессов и повысить надежность модулей, что подтверждается в процессе ускоренных испытаний на воздействие термических ударов с градиентом -40/125 °C. Установка кристаллов способом спекания позволила повысить стойкость компонент прижимающего типа к термоциклиро-ванию практически в 15 раз.

Модули стандартной конструкции еще длительно будут нужны в применениях с неизменной либо медлительно меняющейся нагрузкой. В этих критериях базисная плата играет положительную роль, содействуя наилучшему рассредотачиванию тепла меж чипами, установленными на подложке. Решение трудности термических стрессов в этом случае получается из-за уменьшения площади DBC-подложки и, соответственно, площади ее контакта, как это изготовлено в силовых ключах семейства SEMiX. Необходимо подчеркнуть, что у модулей прижимающего типа фактически нет ограничений по площади подложки.

Оптимизация рассредотачивания тепла

Эта глава посвящена дилемме рассредотачивания тепла при различной топологии кристаллов на примере 3-фазного модуля с номинальным током 400 А и напряжением «коллектор-эмиттер» 600 В. Рассматривается стандартный конструктив с базисной платой, одиночный ключ состоит из 2 чипов IGBT и 2 диодов с номинальным током 200 А. Таким макаром, в каждой фазе инвертора применено по 4 кристалла IGBT/FWD. Аналогичный элемент безбазового модуля включает 4×100 А чипа IGBT и 4×200 А диодика, другими словами 8xIGBT и 4xFWD на фазу. Площадь подложки компонента прижимающего типа приблизительно на 10% больше, чем у стандартного модуля (рис. 2).

Главное — не перегреть! Силовые модули для гибридного и электронного транспорта

Рис. 2. а) Топология расположения кристаллов в модуле с базисной платой при установке 4 чипов IGBT (200 А) и 2 чипов диодов (200 А); б) топология «безбазового» модуля SKiM с 8 кристаллами IGBT (100 A] и 2 диодиками (200 А) на подложке большего размера для наилучшего рассредотачивания тепла

Наличие утрат проводимости и переключения, генерируемых при работе инвертора, приводит к нагреву кристаллов. Термическое моделирование, проводимое при помощи 3D-метода конечных частей (FEM), позволяет получить картину рассредотачивания тепла на DBC-подложке и в радиаторе при разных критериях эксплуатации. К примеру, при разгоне гибридного либо электронного привода основная часть утрат создается IGBT, кристаллы диодов при всем этом работают с низкой нагрузкой.

Вот почему на представленных диаграммах (рис. 3) чипы IGBT имеют насыщенный красноватый цвет и, соответственно, самую большую температуру. В стандартном модуле основная часть тепла сконцентрирована в центре подложки, на которой расположена вся 3-фаз-ная схема. Из-за близкого расстояния меж фазными стойками и кристаллами появляется обоюдная термическая связь, при всем этом самыми «жаркими» являются IGBT среднего полумоста. Хотя при данных критериях эксплуатации диоды оказываются недогруженными по току, в центральной фазе их разогревают расположенные рядом транзисторы. В последних стойках температура FWD оказывается ниже приблизительно на 15 °С.

Главное — не перегреть! Силовые модули для гибридного и электронного транспорта

Рис. 3. Рассредотачивание температуры в модуле: а) с базисной платой; б) в «безбазовом» модуле SKiM (условия эксплуатации: напряжение питания — 350 В, выходной ток — 250 А, выходное напряжение — 220 В, частота огибающей — 50 Гц, частота ШИМ — 12 кГц, соэф — 0,85, температура тосола — 70 °С)

Невзирая на наличие базисной платы, силовые чипы в последних областях подложки приметно «холоднее», чем в центре, что является результатом неоднородного рассредотачивания тепла в структуре инвертора. Термическая нагрузка на IGBT центральной фазы приблизительно на 10 °С выше среднего значения, а разница меж более и менее нагретыми транзисторами превосходит 20 °С. В итоге мощностные свойства всего модуля оказываются ограниченными перегревом его центральной области. Разумеется, что условия остывания и нагрузка должны быть выбраны таким макаром, чтоб температура в центре DBC-платы не превысила небезопасных значений. С другой стороны, независимо от режимов работы модуль испытывает больший термомеханический стресс в области средней фазы, таким макаром, разработчик должен проектировать инвертор и рассчитывать характеристики надежности с учетом обозначенных причин.

В «безбазовых» компонентах серии SKiM рассредотачивание тепла оказывается еще более равномерным, чем в модулях классической конструкции, невзирая на то, что, как и в прошлом случае, главные зоны перегрева создаются кристаллами IGBT. Но расстояние меж источниками утрат и фазными DBC-подложками в прижимающем модуле несколько больше. В итоге этого энергия утрат отводится более отлично, значительно ослабленным оказывается и эффект обоюдной термический связи меж чипами и каскадами инвертора.

Гомогенное рассредотачивание тепла в теле модуля значит, что токовая нагрузка равномерна как для фаз инвертора, так и для ключей в границах одной фазы. В итоге этого близкой оказывается и температура всех кристаллов IGBT/FWD инвертора, отсутствуют зоны локального перегрева, что очень принципиально для обеспечения надежности. Измеренный градиент меж самым «прохладным» и «жарким» чипом IGBT модуля SKiM не превосходит 10 °С, что свидетельствует о наименьшем разбросе токов. В этих критериях можно улучшить режимы работы системы остывания и обеспечить высшую эффективность работы всей системы.

Стоит отметить, что наличие датчика температуры на каждой фазной DBC-подложке позволяет проводить непрерывный мониторинг состояния инвертора и исключить появление критичного перегрева.

Нагрев и срок службы

При анализе термических режимов работы инвертора в реальных критериях нужно принимать во внимание временную зависимость термического сопротивления силовых модулей. При движении автомобиля с электронным либо гибридным приводом существует три главных режима конфигурации нагрузки:

  • Ускорение: ток IGBT максимален.
  • Замедление: энергия, генерируемая электромотором, идет на заряд батареи, оборотные диоды IGBT испытывают наивысшую токовую нагрузку.
  • Движение с неизменной скоростью: промежный режим.

Чтоб обрисовать времязависимый процесс разогрева инверторного силового модуля, нужно изучить его поведение при воздействии циклов нагрузки продолжительностью 0,1-30 с. Динамическое термическое сопротивление для обоих типов IGBT вырастает при увеличении продолжительности импульса нагрузки р как показано на рис. 4. Тепло, генерируемое полупроводниковыми чипами, начинает распространяться по направлению к радиатору, вызывая нагрев всего силового ключа. При значении р большем 30 с, модуль успевает разогреться стопроцентно, динамический термический импеданс Zth перестает возрастать и добивается статического значения Rth.

Главное — не перегреть! Силовые модули для гибридного и электронного транспорта

Рис. 4. Временной график динамического термического импеданса IGBT

Зависящая от времени величина употребляется для расчета термических режимов силовых модулей в реальных критериях эксплуатации. Для анализа сначала нужно найти нрав конфигурации токовой нагрузки инвертора в процессе его эксплуатации.

Разглядим для примера цикл работы гибридного автомобиля (рис. 5). При запуске привода и в процессе разгона энергия берется из батареи и направляется в электронный мотор через инвертор. Выходная мощность при всем этом добивается как минимум 60 кВт, а температура IGBT увеличивается до 95 °С по мере роста тока. На шаге номинальной скорости от инвертора требуется еще наименьшая мощность, и температура полупроводниковых чипов падает. В фазе торможения целью системы управления приводом является возвращение очень вероятного количества энергии назад в батарею. При всем этом утраты транзисторов и диодов становятся приблизительно схожими, рассеяние тепла добивается собственного максимума, и перегрев кристаллов IGBT добивается практически 110 °С.

Главное — не перегреть! Силовые модули для гибридного и электронного транспорта

Рис. 5. Изменение температуры IGBT при работе привода гибридного тс

Наибольший относительный перегрев IGBT в этом случае составляет ΔΤ = 40 °C, при таком градиенте модуль способен выдержать в течение срока службы около 6 млн циклов (рис. 6). Значимость равномерного рассредотачивания тепла в теле силового модуля для обеспечения высочайшей надежности подтверждается тем фактом, что при увеличении градиента температуры всего на 10 °C (ΔΤ = 50 °C) количество циклов до отказа сокращается в 3 раза, другими словами до 2 млн. Если ΔΤ растет на 20 °C, величина Nf миниатюризируется уже в 6 раз. Таким макаром, для обеспечения высочайшего срока службы силового ключа проектирование его конструкции должно выполняться с учетом гомогенности источников утрат и отсутствия обоюдной термический связи.

Главное — не перегреть! Силовые модули для гибридного и электронного транспорта

Рис. 6. Зависимость количества термоциклов до отказа силового модуля Nf от градиента термоцикла Δ Τ при равномерном рассредотачивании тепла

Заключение

Основной предпосылкой отказов традиционных силовых ключей с паяным соединением базисной платы и силовых кристаллов являются термомеханические стрессы, возникающие вследствие различия КТР сопрягающихся частей. Внедрение модулей прижимающей конструкции и внедрение технологии спекания для установки чипов IGBT/FWD позволяет существенно повысить надежность силовой секции привода гибридных и электронных тс.

Оптимизация топологии изолирующей подложки позволяет обеспечить равномерное рассредотачивание тепла меж генерирующими утраты силовыми полупроводниками. При всем этом все чипы 3-фазного инверторного модуля находятся в схожих термических режимах, исключается опасность появления зон локального перегрева. «Безбазовые» силовые ключи со спеченными кристаллами обеспечивают еще более высшую стойкость к активному и пассивному термоциклирова-нию, чем стандартные составляющие. Опыт эксплуатации тс и ускоренные тесты транспортных модулей последнего поколения SKiM и SKAI подтверждают данный факт.