混合動力汽車變頻器功率模塊的熱特性
上海2014年2月20日電 /美通社/ --電子設(shè)計自動化技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)廠商 Mentor Graphics近日發(fā)布一份題為《豐田混合動力汽車的創(chuàng)新》的研究報告。中文版的報告全文可在 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)品營銷部 Boris Marovic。
混合動力汽車的基本原理是通過同時利用電動馬達(dá)和內(nèi)燃機來降低油耗，這取決于您處于驅(qū)動循環(huán)的哪一部分。通常情況下，電動馬達(dá)是用來在駕駛速度較慢的情況下進行加速，達(dá)到特定的速度之后，內(nèi)燃機開始接管汽車并發(fā)揮作用。混合動力汽車還可以提供使用存儲在電池中的電量進行驅(qū)動的功能，當(dāng)電池電量較低時只需轉(zhuǎn)換到內(nèi)燃機產(chǎn)生電力即可，或者依靠電池或依靠內(nèi)燃機單獨運行，或者甚至在某些動力增加模式下兩者同時使用。無論哪種情況，都不屬于純電動汽車。電動行駛里程較為有限，只用于降低車輛的總體排放。
電池通過回收制動能量或者從內(nèi)燃機驅(qū)動的發(fā)電機充電。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。一旦電池用來驅(qū)動汽車，電流必須從直流電轉(zhuǎn)換成交流電，從而為電動馬達(dá)提供動力。這類工作由包含了絕緣柵型雙極性晶體管 (igBTs) 等幾個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)保意識車輛的代名詞，當(dāng)然其中知名的當(dāng)屬普瑞斯 (Prius)，而且還有創(chuàng)新。Hybrid Synergy Drive（混合動力系統(tǒng),簡稱“HSD”）是指豐田為其系列全混合動力汽車開發(fā)的技術(shù)。(圖 1 &2)豐田在混合電動汽車開發(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力車已上路。自那時起，其全球總產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到數(shù)百萬輛，未來還將繼續(xù)增長。
西森久雄 (HisaoNishimori)是豐田混合動力汽車開發(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)計論壇大會上發(fā)表的演講中，西森久雄探討了豐田為描述和優(yōu)化混合動力汽車與電動汽車功率模塊的熱特性所做的努力。IGBT 是需要進行優(yōu)化以擁有理想的熱阻來更好地將元件所產(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)熱測試系統(tǒng)使混合動力汽車能夠達(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)。
在使用T3Ster設(shè)備的功能之前，豐田的設(shè)計流程從設(shè)計嵌入原型的模塊開始，然后在不同的條件下進行測試，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行測量，再對結(jié)果進行評估。如果結(jié)果不滿意或者不準(zhǔn)確，則需要團隊返工改變設(shè)計，然后重復(fù)相同的步驟。西森久雄說：“如果再次改變設(shè)計，重新評估一個新的原型需要花費大量的交付周期、努力和成本?！?/p>
豐田的目標(biāo)是優(yōu)化流程，在短時間內(nèi)實現(xiàn)高度準(zhǔn)確和可重復(fù)的結(jié)果，因此更加富有效率?！癟3Ster 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量半導(dǎo)體器件附近熱阻的差異，在進行可靠性測試前后可以檢驗測量結(jié)果，從而找出散熱特性的任何變化?！痹跍y量模塊的所有器件時，豐田還能夠檢測結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，即使是已封裝的半導(dǎo)體器件。“我們甚至還能測量與設(shè)計值相匹配的粘結(jié)材料”。在T3Ster設(shè)備的幫助下，豐田能夠向設(shè)計人員迅速地反饋高度準(zhǔn)確的結(jié)果，從而進一步改善設(shè)計。從導(dǎo)熱硅脂厚度到粘結(jié)狀態(tài)一切的情況都可以進行優(yōu)化。在這之前，豐田無法檢驗產(chǎn)品的狀態(tài)和已封裝的半導(dǎo)體器件附近的散熱狀況。
西森久雄在總結(jié)時表示：“通過提供來自T3Ster測量結(jié)果的結(jié)構(gòu)函數(shù)，與設(shè)計值的比較和驗證可以更詳細(xì)的進行。在可靠性測試中使用這個測量方法已經(jīng)幫助我們發(fā)現(xiàn)影響壽命的設(shè)計缺陷，而且由于設(shè)計值現(xiàn)在能夠測量出來，因此進行前端裝載成為可能。此外，我們還可以通過降低設(shè)計中的重復(fù)工作以降低原型成本。”(圖 3)西森久雄通過一個汽車隱喻很好地表達(dá)了他對設(shè)計和評估過程的觀點：“評估和設(shè)計就像質(zhì)量保證的兩個‘輪子’，重要的‘發(fā)動機’則為輪子提供驅(qū)動力。通過適當(dāng)?shù)亟M合 CAD、CAE 和自動化測量，輪子將把‘優(yōu)質(zhì)的設(shè)計’帶到路上。”（圖4）
本文原發(fā)表于明導(dǎo)的期刊《Engineering Edge》。
