混合動(dòng)力汽車變頻器功率模塊的熱特性

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)廠商 Mentor Graphics近日發(fā)布一份題為《豐田混合動(dòng)力汽車的創(chuàng)新》的研究報(bào)告。中文版的報(bào)告全文可在 Mentor Graphics 的官方網(wǎng)站閱讀和下載：[http://mentorg.com.cn/aboutus/view.php?id=241 ]。

本文的作者為明導(dǎo)產(chǎn)品營(yíng)銷部 Boris Marovic。

混合動(dòng)力汽車的基本原理是通過同時(shí)利用電動(dòng)馬達(dá)和內(nèi)燃機(jī)來(lái)降低油耗，這取決于您處于驅(qū)動(dòng)循環(huán)的哪一部分。通常情況下，電動(dòng)馬達(dá)是用來(lái)在駕駛速度較慢的情況下進(jìn)行加速，達(dá)到特定的速度之后，內(nèi)燃機(jī)開始接管汽車并發(fā)揮作用。混合動(dòng)力汽車還可以提供使用存儲(chǔ)在電池中的電量進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的功能，當(dāng)電池電量較低時(shí)只需轉(zhuǎn)換到內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生電力即可，或者依靠電池或依靠?jī)?nèi)燃機(jī)單獨(dú)運(yùn)行，或者甚至在某些動(dòng)力增加模式下兩者同時(shí)使用。無(wú)論哪種情況，都不屬于純電動(dòng)汽車。電動(dòng)行駛里程較為有限，只用于降低車輛的總體排放。

電池通過回收制動(dòng)能量或者從內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)充電。為了給電池充電，產(chǎn)生的電量必須從交流電轉(zhuǎn)換成電池所需的直流電。一旦電池用來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車，電流必須從直流電轉(zhuǎn)換成交流電，從而為電動(dòng)馬達(dá)提供動(dòng)力。這類工作由包含了絕緣柵型雙極性晶體管 (igBTs) 等幾個(gè)不同器件的電力電子系統(tǒng)控制。絕緣柵型雙極性晶體管(igBTs)可以在數(shù)百安培的電流下運(yùn)行，并且起到電子開關(guān)的作用，能夠以極高的轉(zhuǎn)換速度運(yùn)行，因此產(chǎn)生大量熱量。

提到豐田讓人想到的不僅僅是具有環(huán)保意識(shí)車輛的代名詞，當(dāng)然其中較知名的當(dāng)屬普瑞斯 (Prius)，而且還有創(chuàng)新。Hybrid Synergy Drive（混合動(dòng)力系統(tǒng),簡(jiǎn)稱“HSD”）是指豐田為其系列全混合動(dòng)力汽車開發(fā)的技術(shù)。(圖 1 &2)豐田在混合電動(dòng)汽車開發(fā)方面的努力有目共睹。早在90年代末，該公司的首款混合動(dòng)力車已上路。自那時(shí)起，其全球總產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到數(shù)百萬(wàn)輛，未來(lái)還將繼續(xù)增長(zhǎng)。

 
圖1 ：豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)概覽

西森久雄 (HisaoNishimori)是豐田混合動(dòng)力汽車開發(fā)小組的一名工程經(jīng)理。2012年9月份在日本品川舉行的明導(dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)論壇大會(huì)上發(fā)表的演講中，西森久雄探討了豐田為描述和優(yōu)化混合動(dòng)力汽車與電動(dòng)汽車功率模塊的熱特性所做的努力。IGBT 是需要進(jìn)行優(yōu)化以擁有理想的熱阻來(lái)更好地將元件所產(chǎn)生熱量散發(fā)到與其相連的冷卻系統(tǒng)的電力電子器件。應(yīng)用明導(dǎo)公司具有合適的大電流電源的 T3Ster®瞬態(tài)熱測(cè)試系統(tǒng)使混合動(dòng)力汽車能夠達(dá)到為器件加熱所需的電力并加熱器件、記錄熱響應(yīng)以及獲得器件的結(jié)構(gòu)函數(shù)。

 

圖2：變頻器系統(tǒng)的配置(THS-II)

在使用T3Ster設(shè)備的功能之前，豐田的設(shè)計(jì)流程從設(shè)計(jì)嵌入原型的模塊開始，然后在不同的條件下進(jìn)行測(cè)試，如不同的開關(guān)頻率或者不同的IGBT導(dǎo)熱硅脂的厚度等等。然后使用紅外熱成像儀進(jìn)行測(cè)量，再對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。如果結(jié)果不滿意或者不準(zhǔn)確，則需要團(tuán)隊(duì)返工改變?cè)O(shè)計(jì)，然后重復(fù)相同的步驟。西森久雄說(shuō)：“如果再次改變?cè)O(shè)計(jì)，重新評(píng)估一個(gè)新的原型需要花費(fèi)大量的交付周期、努力和成本。”

豐田的目標(biāo)是優(yōu)化流程，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確和可重復(fù)的結(jié)果，因此更加富有效率。“T3Ster 使我們能夠詳細(xì)地了解器件的結(jié)構(gòu)以及其熱流路徑。它清晰地顯示了被測(cè)量半導(dǎo)體器件附近熱阻的差異，在進(jìn)行可靠性測(cè)試前后可以檢驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，從而找出散熱特性的任何變化。”在測(cè)量模塊的所有器件時(shí)，豐田還能夠檢測(cè)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，即使是已封裝的半導(dǎo)體器件。“我們甚至還能測(cè)量與設(shè)計(jì)值相匹配的粘結(jié)材料”。在T3Ster設(shè)備的幫助下，豐田能夠向設(shè)計(jì)人員迅速地反饋高度準(zhǔn)確的結(jié)果，從而進(jìn)一步改善設(shè)計(jì)。從導(dǎo)熱硅脂厚度到粘結(jié)狀態(tài)一切的情況都可以進(jìn)行優(yōu)化。在這之前，豐田無(wú)法檢驗(yàn)產(chǎn)品的狀態(tài)和已封裝的半導(dǎo)體器件附近的散熱狀況。

 

圖3: T3Ster 累積結(jié)構(gòu)功能

西森久雄在總結(jié)時(shí)表示：“通過提供來(lái)自T3Ster測(cè)量結(jié)果的結(jié)構(gòu)函數(shù)，與設(shè)計(jì)值的比較和驗(yàn)證可以更詳細(xì)的進(jìn)行。在可靠性測(cè)試中使用這個(gè)測(cè)量方法已經(jīng)幫助我們發(fā)現(xiàn)影響壽命的設(shè)計(jì)缺陷，而且由于設(shè)計(jì)值現(xiàn)在能夠測(cè)量出來(lái)，因此進(jìn)行前端裝載成為可能。此外，我們還可以通過降低設(shè)計(jì)中的重復(fù)工作以降低原型成本。”(圖 3)西森久雄通過一個(gè)汽車隱喻很好地表達(dá)了他對(duì)設(shè)計(jì)和評(píng)估過程的觀點(diǎn)：“評(píng)估和設(shè)計(jì)就像質(zhì)量保證的兩個(gè)‘輪子’，重要的‘發(fā)動(dòng)機(jī)’則為輪子提供驅(qū)動(dòng)力。通過適當(dāng)?shù)亟M合 CAD、CAE 和自動(dòng)化測(cè)量，輪子將把‘優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)’帶到路上。”（圖4）

本文原發(fā)表于明導(dǎo)的期刊《Engineering Edge》。

 
圖4: 設(shè)計(jì)與評(píng)估流程

關(guān)于 Mentor Graphics

Mentor Graphics 集團(tuán)（納斯達(dá)克代碼：MENT）是電子硬件和軟件設(shè)計(jì)解決方案的全球領(lǐng)導(dǎo)者，為世界上較成功的電子和半導(dǎo)體公司提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品、咨詢服務(wù)和支持，所提供的支持曾多次獲獎(jiǎng)。公司成立于1981年，在過去的12個(gè)月中實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入約10.15億美元。公司總部地址：8005 S.W. Boeckman Road, Wilsonville, Oregon 97070-7777（美國(guó)俄勒岡州）。官方網(wǎng)站：http://www.mentor.com 。