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

Фолкер Демут (Volker Demuth)

Перевод и комментарии: Андрей Колпаков

Силовые ключи, работающие в инверторах транспортных приводов, подвергаются постоянному воздействию высоких перепадов температуры. Жесткие тепловые режимы и неоптимальные условия охлаждения ограничивают мощностные характеристики силовых модулей и сокращают срок их службы. Для применения на транспорте необходима разработка специализированных компонентов, способных работать в жестких климатических условиях и выдерживать более 3 млн активных термоциклов. Использование последних поколений полупроводниковых кристаллов и внедрение новейших технологий корпусирования является ключевым фактором обеспечения надежности транспортного привода.

В настоящее время в автомобильных применениях работает около 4% от общего количества выпускаемых в мире силовых модулей. Ожидается, что в ближайшие годы этот сектор будет расти со скоростью более 20% в год. Современная силовая электроника создает необычайно широкие возможности для развития различных видов электротранспорта, электроприводы нужны в гибридных грузовиках и автобусах, сельскохозяйственных машинах, электро- и гибридомобилях, строительных машинах и т. п.

Поскольку конкретные требования к инвертору в высокой степени зависят от области применения, усилия производителей силовых модулей направлены в первую очередь на обеспечение их высокой надежности. Сказанное касается полупроводниковых кристаллов и технологий их корпусирования. Самым распространенным способом соединения кремниевых чипов с керамической DBC-подложкой в стандартных и «безбазовых» модулях до недавнего времени была пайка. С 2008 года компания SEMIKRON стала внедрять технологию низкотемпературного спекания серебряной нанопасты. Эти методы имеют свои достоинства и недостатки, в рамках данной статьи наибольший интерес представляет вопрос, касающийся их применимости для электрического и гибридного транспорта.

Изменения температуры окружающей среды, например при жидкостном охлаждении, создают так называемые пассивные термоциклы. В дополнение к ним потери мощности силовых полупроводников приводят к кратковременным (5-20 с) колебаниям температуры с градиентом ΔΤ от 40 до 60 °C, называемым активными термоциклами. Из-за разницы коэффициентов теплового расширения (КТР) сопрягающихся материалов каждый такой цикл создает термомеханический стресс, что в конечном итоге приводит к накоплению усталости в соединительных слоях и их постепенному разрушению [1].

Проблема паяных соединений

Использование технологии прижимного контакта и исключение базовой платы в модулях серии SKiiP, разработанных в начале 1990-х годов, позволило существенно повысить надежность и стойкость к термоциклированию (рис. 1). Устранение паяных связей дало возможность избавиться от основной причины отказов компонентов традиционной конструкции — накопления усталости в жестких контактных слоях. Следующим шагом стало внедрение технологии низкотемпературного спекания чипов, в результате чего традиционная пайка была заменена гораздо более стабильным соединением с помощью серебряной пасты [2]. Температура плавления серебра в 6 раз выше, чем у любого из используемых в промышленности припоев, кроме того, этот материал обладает лучшей теплопроводностью и более высокой механической гибкостью.

Поперечное сечение модуля SKiM: а) с базовой платой; б) без нее

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

Прижимные модули имеют еще одно неоспоримое преимущество: отсутствие так называемого «биметаллического эффекта» позволяет более чем в 3 раза уменьшить толщину слоя теплопроводящей пасты при установке на радиатор. Отметим, что теплопрово-дящий материал вносит значительный вклад в общее значение теплового сопротивления силового модуля. У компонентов традиционной конструкции номинальное значение толщины слоя пасты составляет 75-100 мкм, что необходимо для компенсации изгиба базы вследствие упомянутого выше эффекта. Для прижимных модулей эта величина составляет 20-30 мкм и она определяется в первую очередь неоднородностью и шероховатостью поверхности радиатора и DBC-подложки.

В результате описанных мер удалось существенно снизить уровень термомеханических стрессов и повысить надежность модулей, что подтверждается в ходе ускоренных испытаний на воздействие тепловых ударов с градиентом -40/125 °C. Установка кристаллов методом спекания позволила повысить стойкость компонентов прижимного типа к термоциклиро-ванию почти в 15 раз.

Модули стандартной конструкции еще долго будут востребованы в применениях с постоянной или медленно меняющейся нагрузкой. В этих условиях базовая плата играет положительную роль, способствуя лучшему распределению тепла между чипами, установленными на подложке. Решение проблемы тепловых стрессов в данном случае достигается за счет уменьшения площади DBC-подложки и, соответственно, площади ее контакта, как это сделано в силовых ключах семейства SEMiX. Следует отметить, что у модулей прижимного типа практически нет ограничений по площади подложки.

Оптимизация распределения тепла

Эта глава посвящена проблеме распределения 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 базовой платой, одиночный ключ состоит из 2 чипов IGBT и 2 диодов с номинальным током 200 А. Таким образом, в каждой фазе инвертора использовано по 4 кристалла IGBT/FWD. Аналогичный элемент безбазового модуля включает 4x100 А чипа IGBT и 4x200 А диода, то есть 8xIGBT и 4xFWD на фазу. Площадь подложки компонента прижимного типа примерно на 10% больше, чем у стандартного модуля (рис. 2).

а) Топология расположения кристаллов в модуле с базовой 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 диодами (200 А) на подложке большего размера для лучшего распределения тепла

Рис. 2. а) Топология расположения кристаллов в модуле с базовой 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 диодами (200 А) на подложке большего размера для лучшего распределения тепла

Наличие потерь проводимости и переключения, генерируемых при работе инвертора, приводит к нагреву кристаллов. Тепловое моделирование, проводимое с помощью 3D-метода конечных элементов (FEM), позволяет получить картину распределения тепла на DBC-подложке и в радиаторе при различных условиях эксплуатации. Например, при разгоне гибридного или электрического привода основная часть потерь создается IGBT, кристаллы диодов при этом работают с низкой нагрузкой.

Вот почему на представленных диаграммах (рис. 3) чипы IGBT имеют насыщенный красный цвет и, соответственно, наибольшую температуру. В стандартном модуле основная часть тепла сконцентрирована в центре подложки, на которой размещена вся 3-фаз-ная схема. Из-за близкого расстояния между фазными стойками и кристаллами возникает взаимная тепловая связь, при этом самыми «горячими» являются IGBT среднего полумоста. Хотя при данных условиях эксплуатации диоды оказываются недогруженными по току, в центральной фазе их разогревают расположенные рядом транзисторы. В крайних стойках температура FWD оказывается ниже примерно на 15 °С.

Распределение температуры в модуле: а) с базовой 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)

Рис. 3. Распределение температуры в модуле: а) с базовой 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)

Несмотря на наличие базовой платы, силовые чипы в крайних областях подложки заметно «холоднее», чем в центре, что является результатом неоднородного распределения тепла в структуре инвертора. Тепловая нагрузка на IGBT центральной фазы примерно на 10 °С выше среднего значения, а разница между наиболее и наименее нагретыми транзисторами превышает 20 °С. В результате мощностные характеристики всего модуля оказываются ограниченными перегревом его центральной области. Очевидно, что условия охлаждения и нагрузка должны быть выбраны таким образом, чтобы температура в центре DBC-платы не превысила опасных значений. С другой стороны, независимо от режимов работы модуль испытывает наибольший термомеханический стресс в области средней фазы, таким образом, разработчик должен проектировать инвертор и рассчитывать показатели надежности с учетом указанных факторов.

В «безбазовых» компонентах серии SKiM распределение тепла оказывается гораздо более равномерным, чем в модулях традиционной конструкции, несмотря на то, что, как и в предыдущем случае, основные зоны перегрева создаются кристаллами IGBT. Однако расстояние между источниками потерь и фазными DBC-подложками в прижимном модуле несколько больше. В результате этого энергия потерь отводится более эффективно, существенно ослабленным оказывается и эффект взаимной тепловой связи между чипами и каскадами инвертора.

Гомогенное распределение тепла в теле модуля означает, что токовая нагрузка равномерна как для фаз инвертора, так и для ключей в пределах одной фазы. В результате этого близкой оказывается и температура всех кристаллов IGBT/FWD инвертора, отсутствуют зоны локального перегрева, что очень важно для обеспечения надежности. Измеренный градиент между самым «холодным» и «горячим» чипом IGBT модуля SKiM не превышает 10 °С, что свидетельствует о минимальном разбросе токов. В этих условиях можно оптимизировать режимы работы системы охлаждения и обеспечить высокую эффективность работы всей системы.

Необходимо отметить, что наличие датчика температуры на каждой фазной DBC-подложке позволяет проводить непрерывный мониторинг состояния инвертора и исключить возникновение критического перегрева.

Нагрев и срок службы

При анализе тепловых режимов работы инвертора в реальных условиях необходимо принимать во внимание временную зависимость теплового сопротивления силовых модулей. При движении автомобиля с электрическим или гибридным приводом существует три основных режима изменения нагрузки:

  • Ускорение: ток IGBT максимален.
  • Замедление: энергия, генерируемая электромотором, идет на заряд батареи, обратные диоды IGBT испытывают максимальную токовую нагрузку.
  • Движение с постоянной скоростью: промежуточный режим.

Чтобы описать времязависимый процесс разогрева инверторного силового модуля, необходимо исследовать его поведение при воздействии циклов нагрузки длительностью 0,1-30 с. Динамическое тепловое сопротивление для обоих типов IGBT растет при увеличении длительности 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 полностью, динамический тепловой импеданс Zth перестает увеличиваться и достигает статического значения Rth.

Временной график динамического теплового импеданса IGBT

Рис. 4. Временной график динамического теплового импеданса IGBT

Зависящая от времени величина используется для расчета тепловых режимов силовых модулей в реальных условиях эксплуатации. Для анализа прежде всего необходимо определить характер изменения токовой нагрузки инвертора в процессе его эксплуатации.

Рассмотрим для примера цикл работы гибридного автомобиля (рис. 5). При запуске привода и в процессе разгона энергия берется из батареи и направляется в электрический мотор через инвертор. Выходная мощность при этом достигает как минимум 60 кВт, а температура IGBT повышается до 95 °С по мере роста тока. На этапе номинальной скорости от инвертора требуется гораздо меньшая мощность, и температура полупроводниковых чипов падает. В фазе торможения целью системы управления приводом является возвращение максимально возможного количества энергии обратно в батарею. При этом потери транзисторов и диодов становятся примерно одинаковыми, рассеяние тепла достигает своего максимума, и перегрев кристаллов IGBT достигает почти 110 °С.

Изменение температуры IGBT при работе привода гибридного транспортного средства

Рис. 5. Изменение температуры IGBT при работе привода гибридного транспортного средства

Максимальный относительный перегрев IGBT в данном случае составляет ΔΤ = 40 °C, при таком градиенте модуль способен выдержать в течение срока службы около 6 млн циклов (рис. 6). Важность равномерного распределения тепла в теле силового модуля для обеспечения высокой надежности подтверждается тем фактом, что при увеличении градиента температуры всего на 10 °C (ΔΤ = 50 °C) количество циклов до отказа сокращается в 3 раза, то есть до 2 млн. Если ΔΤ возрастает на 20 °C, величина Nf уменьшается уже в 6 раз. Таким образом, для обеспечения высокого срока службы силового ключа проектирование его конструкции должно производиться с учетом гомогенности источников потерь и отсутствия взаимной тепловой связи.

Зависимость количества термоциклов до отказа силового модуля Nf от градиента термоцикла Δ Τ при равномерном распределении тепла

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

Заключение

Основной причиной отказов классических силовых ключей с паяным соединением базовой платы и силовых кристаллов являются термомеханические стрессы, возникающие вследствие разницы КТР сопрягающихся элементов. Использование модулей прижимной конструкции и внедрение технологии спекания для установки чипов IGBT/FWD позволяет значительно повысить надежность силовой секции привода гибридных и электрических транспортных средств.

Оптимизация топологии изолирующей подложки позволяет обеспечить равномерное распределение тепла между генерирующими потери силовыми полупроводниками. При этом все чипы 3-фазного инверторного модуля находятся в одинаковых тепловых режимах, исключается опасность возникновения зон локального перегрева. «Безбазовые» силовые ключи со спеченными кристаллами обеспечивают гораздо более высокую стойкость к активному и пассивному термоциклирова-нию, чем стандартные компоненты. Опыт эксплуатации транспортных средств и ускоренные испытания транспортных модулей нового поколения SKiM и SKAI подтверждают этот факт.

Литература

  1. Колпаков А. О термоциклах и термоцикли-ровании // Силовая электроника. 2006. № 2.
  2. Gobi C. Технология спекания в силовых модулях // Компоненты и технологии. 2009. № 7.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2010_4_26.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо