电动汽车变流器功率器件的疲劳寿命及热应力复现研究

发布时间：2020-03-28 09:04

【摘要】：目前,能源短缺及环境污染问题已成为制约中国汽车产业可持续发展的突出问题,电动汽车是汽车行业得以延续的必然选择,有着广阔的发展空间。变流器是电动汽车的关键部件,然而根据系统故障概率统计结果表明,变流器却是最主要的失效组件,变流器故障很大程度上归因于其功率器件绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的失效。因此,对功率器件进行寿命预测并及时更换组件、探究功率器件的热管理方案、优化变流器的运行和设计能够有效的提高电动汽车的可靠性。功率模块的电热耦合热网络的建立常忽略紧凑型模块封装下的多芯片耦合热效应;现有的功率器件寿命预测大多基于一定温度范围下的冷热循环老化,脱离实际应用场景。本文以电动汽车变流器中的功率器件为研究对象,建立了基于瞬态热阻抗响应的多芯片封装模块的耦合热网络;量化了实际运行工况下功率器件的服役里程;提出了改善功率器件可靠性和寿命的热管理控制策略,减小了器件的结温波动,延长了器件的寿命;搭建了功率器件热应力测试平台,复现出行驶工况下器件的热应力信息。本文的主要研究内容包括:1)基于瞬态热阻抗响应的方法建立包括IGBT功率模块和散热器在内的逆变器整体热网络模型,充分考虑了多芯片封装模块内部的自热和交叉耦合热效应。引入理论证据,探索了不同尺寸芯片的热阻抗的差异性。对材料热性能(导热系数和比热容)的温度依赖性和散热器的三维热传导引起的热模型非线性问题进行了评价。发现了局部热网络参数与环境温度、散热条件、功率损耗等边界条件的相互联系。2)考虑器件开关行为对系统配置的敏感性,在实际的应用场景下,利用双脉冲实验测试了开关管在不同母线电压、相电流和结温下的开关特性。建立了电动汽车变流器驱动系统模型和电热耦合模型,仿真出了在实际运行工况下IGBT的结温曲线。采用雨流计数法、疲劳损伤准则等手段,预测了功率器件的服役里程。系统地掌握了环境温度、运行工况、疲劳累积等关联因素对寿命预测结果的影响规律。3)利用一种简化的IGBT损耗分析模型,分析和探讨了不同驱动开通电压对IGBT开关损耗的影响,提出了基于栅极驱动电压调整进而实现损耗及结温控制调节的主动热应力控制的新思路。所提结温跟踪管控策略的本质是调节器件本身的开关性能,实现对器件损耗实时控制,从而达到抑制结温波动的效果,减缓器件的老化,延长器件的寿命。最后,通过实验测试对结温跟踪管控策略进行了验证。4)功率器件应力复现平台的设计包括主电路的设计、控制系统的电路设计和控制系统的软件设计。针对选用的IGBT功率模块应力测试需求,首先分析了功率器件应力测试平台的系统传递函数,明确平台系统控制方案,详细设计了应力测试平台中各部件的电气参数。通过设置实际运行工况相关参数,测试在实际运行工况下的结温信息。
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景与意义会的发展，汽车逐渐走进了千家万户，汽车成为日常生活中不保有量逐年攀升，由于燃油汽车尾气排放导致大气污染特别严象。从实现最佳的社会经济效益和保护自然资源以及生态环境放的汽车是环境友好型社会发展的迫切需求，所以新能源汽必由之路。国汽车工业协会的调查报告显示，近年来新能源汽车增长态势中国、美国、欧洲等，无疑是全球电动汽车销量最为集中的心市场的新能源汽车上牌量攀升至 170 多万辆，相比去年同动汽车更是尤其受欢迎，其新上牌量同比增长率达到 77 %。的数据显示，中国地区毋容置疑地坐稳新能源汽车全球第一市已经达到 50 %。随着电动汽车行业的技术水平提升，成本减激励，电动汽车完全替代燃油汽车指日可待。

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华南理工大学硕士学位论文各部件的故障率分布如图 1-2 所示[1]，，导个：温度、振动和湿度，其中温度是最部件，高达 31 %，其次是电容器和驱动的失效模式主要包括：芯片相关故障（落、焊料层疲劳裂纹）、门驱动器开路故式是热机械疲劳应力引起的封装相关故
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM46;U469.72

【参考文献】