定制化的功率电子设计

采埃孚的实时的半导体温度测量方法

作者:Marco Denk博士和Matthias Lochner 文章来源:AI《汽车制造业》 点击数:34 发布时间:2019-01-21
创新需求和优化潜能持续主导着电驱动产业。 一个由采埃孚集团主导的项目,展示了如何有效地实施新技术解决方案:实时的功率电子半导体温度测量,可以提升关键部件的可靠性、安装空间、集成能力以及优化成本,这些都是纯电动以及混合动力汽车所依赖的研发关键因素。
定制化的功率电子设计

采埃孚提出了“零愿景”的概念,这是对未来车辆零排放目标的长远愿景。混动或纯电动汽车在实现这一愿景方面发挥着举足轻重的作用。对于混合动力或纯电动系统,无论是乘用车、商用车还是特殊车辆,功率电子都是驱动系统的核心。功率电子器件主要起到了调节功率的作用,它将来自于电池的直流电压转换成为供给电机的三相交流电压。因此,功率电子不仅是实现电驱动系统功能的必需件,还影响着系统的效率、可靠性及成本。

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图注:功率电子在电驱动系统中发挥着核心作用,然而考虑到成本和系统可靠性等各种不确定因素,定制半导体的结构变得十分困难

 

硅或碳化硅半导体是功率电子中最重要的部分,同时也是成本较高的部分。它们被用作晶体管,比如“IGBT(绝缘栅双极晶体管)”,是电驱动系统必不可少的组件。根据当前要求的功率等级,半导体模块需要承受相应的高温负荷。在设计这些半导体结构时面临的主要挑战有:一方面必须保证15年及以上的可靠系统寿命;另一方面必须对使用的材料在尺寸和成本方面进行优化。由于缺乏半导体运行负载和老化的现场应用数据,在设计上难以很好地权衡效率、成本和安全等因素。为了在未来能准确设计这些材料昂贵的半导体结构,采埃孚开发了一套可以监测运行中半导体负载和老化的程序,其中一个重要的基准就是半导体的结温。

实时的半导体温度测量方法

采埃孚集团协助拜罗伊特大学(德国)进行了一个项目课题,其目标旨在无须使用额外传感器或对功率模块进行物理修改的条件下,测量功率半导体的结温。采用的方法是在半导体运行期间监测温度极值、分析瞬态温度波动,并对结果进行相关评估。通过该方法可以收集半导体的工作负载以及老化迹象的有效数据。该方法不仅可以测量单个车辆的数据,还可以测量由多种车辆和路谱构成的测试车队。该测试得出的经验数据库使得采埃孚研发人员在未来的设计中,可以减少不必要的安全设计余量,并根据实际的工作负载优化IGBT的设计。

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图注:集成了半导体结温实时监测功能的控制电路,在电机控制器运行期间,正弦可侦测信号被调制到栅极电压上,采埃孚新开发的程序可根据系统响应来监测功率半导体的结温

 

为了能在无须更改任何物理结构的情况下测量运行期间的半导体结温,模块内部的栅极电阻可被当作温度传感器使用。为了监测在电机控制器正常运行中的半导体结温,项目团队调整了控制回路,在关断时将正弦侦测信号调制到栅极电压上。而系统通过测量外部栅极电阻的压降,将其转换为经由校准曲线处理后的温度数据,并最终传输到控制电路。这是首次可以在无须修改系统结构的情况下,实时测量到功率模块运行期间的结温。

这种新的温度测量程序被集成到采埃孚混动系统的动力转换模块中,并通过热成像仪进行了验证。为此采埃孚改装了一个电机控制器:为了测量温度将硅凝胶从功率模块中去除,然后通过喷洒雾剂减少表面热反射,再在测试环境中使用红外相机测量功率半导体的表面温度,最后将测量到的温度与内部栅极电阻上测量到的结温进行比较。

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图注:新研发的温度测量程序在采埃孚混动系统中进行了集成和验证。功率模块被设计为红外相机可侦测到的结构形式,以便验证该程序的可行性

在使用新测量程序测试多个驾驶路谱并使用红外相机测量验证后,两种测试方法的结果具有高度的相似性。测试是在1 K(-273.15 ℃=0 K)和2.5 ms的高精度分辨率下进行的(室温下自动单点校准后,-40~150 ℃的测量范围内误差<3%)。

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图注:新测量程序的实验验证结温曲线图,控制电路测量的温度(红色)与红外相机测量的温度(灰色)相似

操作负载和老化状态的记录

实验项目组面临的另一个挑战是如何记录和保存测量的结温数据。由于空间和成本的原因,不能使用复杂的附加模块,例如高存储容量的固态数据存储器。在未压缩时,即使是一小段驾驶数据也需要1 MB的存储空间。相比之下,采埃孚该测试项目开发的程序能够将实时收集到的数据再压缩,这意味着更长时间的、甚至是完整驱动周期的温升曲线都可被记录在8 KB存储容量的EEPROM中。然后根据温升曲线,项目团队通过实时雨流计数算法将其压缩为具有频率分布特征的数据。因此该方法可评估由不同驾驶模式或车辆模型产生的等效热负载模型,并且可将其运用于模拟仿真,由此优化功率电子的设计。

基于该项目课题的成果,项目团队还开发了另一套程序:这是一种侦测半导体状态参数的方法,该参数与功率半导体的老化状态相对应。在车辆的发动阶段,该程序分析半导体的温度周期并评估周期振幅。如果该振幅在某个负载点增大,这就表明存在老化现象甚至是有潜在的故障风险。老化数据和负载模型之间的后续关联性,帮助了项目团队首次验证了用实测数据来推算其服务寿命的计算方法,并优化了计算结果。这种实时测量结温以及数据压缩存储的方法都将对未来功率电子的设计研发产生长期积极的影响。利用这些方法可以在成本和可靠性之间寻找到更好的平衡点。目前,机械结构件能够根据实际需求进行定制化更改,同样在不久的将来,在负载模式已知的情况下,通过上述的方法,集成在功率电子中的半导体也可进行定制化更改。

该开发程序是汽车行业在这方面的一个里程碑,其旨在最高可靠性的情况下使功率电子尽可能地达到最高功率密度以及较低的成本。这些对于实时测量工作负荷和老化状态的新想法,能帮助工程师们在根据客户需求定制的研发项目中,找到一个在可靠性和成本优化之间、使用材料和安装尺寸之间最佳的折中方案。该解决方法也为其他工程应用领域提供了更好安排维护检修周期的可能。

总结和展望

功率半导体结构的定制化设计在未来会变得越来越重要。因为目前的技术趋势是使用碳化硅作为半导体材料,这将会比使用硅的半导体更昂贵。所以只使用实际所需的半导体容量将会是十分重要的,其关键是需要具备充足的实验数据库以及经过充分验证的设计方法。 本项目课题开发的程序为采埃孚定制功率电子技术奠定了扎实的基础。然而就测量能力而言,该系统的潜力尚未得到充分开发:在另一个与拜罗伊特大学正在合作进行的后续项目课题中,其扩展了控制电路以开发一套除结温之外,还可测量电机三相电流的程序。 因为目前普遍使用的电流传感器需要额外的安装空间和成本,预期该程序将会取代传感器,从而达到简化设计和降低成本的目的。该新程序将带领着功率电子设计向更紧凑和更低成本的方向发展。