车用电机控制器IGBT功率模块寿命测算技术研究
发布时间：2022-01-15 00:12
随着国家大力推行新能源汽车发展,纯电动新能源汽车作为一个重要的车型,且越来越普及到我们的日常生活当中,电池、电机控制器、电机（简称三电）作为新能源汽车的动力系统的重要部件,对成本和质量要求越来越高,设计一款成本低、质量高,符合客户使用要求的新能源车,成为各大车企业及三电零部件供应商重点研究方向,由其是零部件的寿命设计。IGBT作为车用电机控制器的核心器件,其工作寿命能否满足车用工况的要求,由于耦合的因素太多,而成为设计的难点,一是结合整车运行IGBT工况参数难以提取,二是IGBT电热模型难以建立精准,三是IGBT对应的温度-时间分布数据提取和统计难以准确有效。本课题主要任务是,通过探索IGBT功率模块失效机理,分析影响功率模块寿命的主要因素及原因,以12m纯电动公交电车用控制器为例,设计纯电动车IGBT运行工况采集方案,建立控制器电热模型,测算IGBT寿命,从而研制一套适用于车用控制器IGBT寿命估算的方法,并在实际的产品设计中应用。本文研究并设计了新能源汽车工况采集、工况合成和工况分解的流程和方法,基于纯电动公交实际道路运行工况进行数据采集,采用聚类+马尔科夫的方法完成纯电动公交运行...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
引线脱落失效（2）焊接层疲劳焊接层疲劳同样是一种导致IGBT功率模块失效的主
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文15图2-6引线脱落失效（2）焊接层疲劳焊接层疲劳同样是一种导致IGBT功率模块失效的主要形式。焊接疲劳问题形态如图2-7所示，由于功率模块使用多种材料组成，热胀冷缩循环过程使得内部结构不断有作用力存在，长此以往会导致材料的扭曲与形变，一旦出现裂纹，硅芯片和基板之间会持续作用，致使焊接层的裂纹逐步扩张，进而导致焊接层出现疲劳。图2-7焊接层疲劳（裂纹）文献[33]指出：在热力循环时，热机械产生的应力作用在功率器件上的焊接位置时，将会导致裂纹的出现，甚至会出现空洞，同时热力循环周期不断增加，裂纹的宽度与深度也将不断的增加，时间累积，将会导致焊接的有效面积大大减少，从而使得芯片结温或内部阻抗显著提升，进而导致器件内部的温度升高，最终由于温度过高使得芯片失效。充分考虑芯片结温问题，将内部热阻增加15%，作为焊接层失效的标志。事实上，IGBT模块的封装过程工艺存在缺陷，致使在焊接封装时就存在空洞，因此IGBT模块的失效与在封装时形成的空洞体积也有密切关系。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文18第3章IGBT功率模块运行工况采集方案设计上一章提到功率器件受温度冲击造易成器件失效，这类失效正是寿命预测技术研究的基矗本章针对如何获取纯电动车用控制器运行工况，并分解出IGBT的运行工况进行详细讲解，为后续章节提取温度冲击数据提供电气参数、环境参数及时间参数。3.1传统工况采集方案分析汽车运行工况描述了汽车实际道路行驶条件下整车及各子部件所处的运行状态，它是整个汽车产品测试和设计的依据条件。世界各大汽车生产大国都基于汽车实际道路运行特征，开发了一系列的测试工况，如应用于乘用车的欧洲ECE+NEDC（EconomicCommissionofEuropeandNewEuropeanDrivingCycle）工况，日本的Japan10-15工况及美国的FTP75（FederalTestProcedure）工况，用于轻型货车的CWTVC（WorldTransientVehicleCycle）工况，应用于城市客车的NYCC（TheNewYorkCityCycle）工况等等。但这些工况有一定的缺陷，其一是开发年代较早，当时汽车技术与交通环境有较大差异；其二是这些工况主要都是反映国外汽车运行特征，与国内交通环境、气候条件、地域差异等较大，难以反映中国实际道路工况特征；第三，这些工况主要是基于传统燃油车的驾驶行为经过解析合成的，不能全面反映纯电动新能源汽车的运行特征，如纯电动汽车具有低速大扭矩起步的特征，使得其整车加速度普遍高于传统燃油车；第四，这些世界典型行驶工况主要考核对象是汽车的能耗和排放，对于汽车器件寿命及耐久性考核并不完全适用。图3-1NEDC整车行驶工况
【参考文献】：
期刊论文
[1]名义应力法在航空发动机部件寿命估算中的实现与应用[J]. 那岚. 内燃机与配件. 2019(16)
[2]对大功率IGBT模块损耗的研究[J]. 项阳,刘磊. 信息技术. 2019(08)
[3]钢吊车梁的疲劳寿命分析与预测[J]. 杨佑发,任浩亮,凌昊. 钢结构(中英文). 2019(06)
[4]蒙特卡罗临界计算全局计数问题新策略研究[J]. 上官丹骅,姬志成,邓力,李瑞,李刚,付元光. 物理学报. 2019(12)
[5]基于虚拟迭代的空调管路疲劳寿命预估方法[J]. 秦振振,卢剑伟,曹兴枫,李坤. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2019(05)
[6]IGBT功率模块加速功率循环试验的研究[J]. 蒋多晖,张斌,郭清. 电力电子技术. 2018(08)
[7]计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估[J]. 陈民铀,陈一高,高兵,赖伟,黄涛,徐盛友. 中国电机工程学报. 2018(20)
[8]薄壁结构高温随机振动疲劳分析方法有效性验证[J]. 沙云东,胡翼飞,胡增辉. 推进技术. 2018(06)
[9]风电变流器IGBT模块的多时间尺度寿命评估[J]. 刘中. 科技创新导报. 2018(04)
[10]基于K-S检验法和ALTA的IGBT模块可靠性寿命分布研究[J]. 吴华伟,叶从进,聂金泉. 重庆交通大学学报(自然科学版). 2019(01)
硕士论文
[1]IGBT的寿命评估方法研究[D]. 周利华.安徽理工大学 2017
[2]功率IGBT模块工况分析及其寿命预测方法研究[D]. 王鹏冲.河北工业大学 2016
[3]IGBT模块的热应力分布及其与器件寿命的关联性研究[D]. 王美茹.河北工业大学 2015
[4]IGBT功率模块结温探测和寿命预测[D]. 王贺.河北工业大学 2015
本文编号：3589496
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
引线脱落失效（2）焊接层疲劳焊接层疲劳同样是一种导致IGBT功率模块失效的主
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文15图2-6引线脱落失效（2）焊接层疲劳焊接层疲劳同样是一种导致IGBT功率模块失效的主要形式。焊接疲劳问题形态如图2-7所示，由于功率模块使用多种材料组成，热胀冷缩循环过程使得内部结构不断有作用力存在，长此以往会导致材料的扭曲与形变，一旦出现裂纹，硅芯片和基板之间会持续作用，致使焊接层的裂纹逐步扩张，进而导致焊接层出现疲劳。图2-7焊接层疲劳（裂纹）文献[33]指出：在热力循环时，热机械产生的应力作用在功率器件上的焊接位置时，将会导致裂纹的出现，甚至会出现空洞，同时热力循环周期不断增加，裂纹的宽度与深度也将不断的增加，时间累积，将会导致焊接的有效面积大大减少，从而使得芯片结温或内部阻抗显著提升，进而导致器件内部的温度升高，最终由于温度过高使得芯片失效。充分考虑芯片结温问题，将内部热阻增加15%，作为焊接层失效的标志。事实上，IGBT模块的封装过程工艺存在缺陷，致使在焊接封装时就存在空洞，因此IGBT模块的失效与在封装时形成的空洞体积也有密切关系。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文18第3章IGBT功率模块运行工况采集方案设计上一章提到功率器件受温度冲击造易成器件失效，这类失效正是寿命预测技术研究的基矗本章针对如何获取纯电动车用控制器运行工况，并分解出IGBT的运行工况进行详细讲解，为后续章节提取温度冲击数据提供电气参数、环境参数及时间参数。3.1传统工况采集方案分析汽车运行工况描述了汽车实际道路行驶条件下整车及各子部件所处的运行状态，它是整个汽车产品测试和设计的依据条件。世界各大汽车生产大国都基于汽车实际道路运行特征，开发了一系列的测试工况，如应用于乘用车的欧洲ECE+NEDC（EconomicCommissionofEuropeandNewEuropeanDrivingCycle）工况，日本的Japan10-15工况及美国的FTP75（FederalTestProcedure）工况，用于轻型货车的CWTVC（WorldTransientVehicleCycle）工况，应用于城市客车的NYCC（TheNewYorkCityCycle）工况等等。但这些工况有一定的缺陷，其一是开发年代较早，当时汽车技术与交通环境有较大差异；其二是这些工况主要都是反映国外汽车运行特征，与国内交通环境、气候条件、地域差异等较大，难以反映中国实际道路工况特征；第三，这些工况主要是基于传统燃油车的驾驶行为经过解析合成的，不能全面反映纯电动新能源汽车的运行特征，如纯电动汽车具有低速大扭矩起步的特征，使得其整车加速度普遍高于传统燃油车；第四，这些世界典型行驶工况主要考核对象是汽车的能耗和排放，对于汽车器件寿命及耐久性考核并不完全适用。图3-1NEDC整车行驶工况
【参考文献】：
期刊论文
[1]名义应力法在航空发动机部件寿命估算中的实现与应用[J]. 那岚. 内燃机与配件. 2019(16)
[2]对大功率IGBT模块损耗的研究[J]. 项阳,刘磊. 信息技术. 2019(08)
[3]钢吊车梁的疲劳寿命分析与预测[J]. 杨佑发,任浩亮,凌昊. 钢结构(中英文). 2019(06)
[4]蒙特卡罗临界计算全局计数问题新策略研究[J]. 上官丹骅,姬志成,邓力,李瑞,李刚,付元光. 物理学报. 2019(12)
[5]基于虚拟迭代的空调管路疲劳寿命预估方法[J]. 秦振振,卢剑伟,曹兴枫,李坤. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2019(05)
[6]IGBT功率模块加速功率循环试验的研究[J]. 蒋多晖,张斌,郭清. 电力电子技术. 2018(08)
[7]计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估[J]. 陈民铀,陈一高,高兵,赖伟,黄涛,徐盛友. 中国电机工程学报. 2018(20)
[8]薄壁结构高温随机振动疲劳分析方法有效性验证[J]. 沙云东,胡翼飞,胡增辉. 推进技术. 2018(06)
[9]风电变流器IGBT模块的多时间尺度寿命评估[J]. 刘中. 科技创新导报. 2018(04)
[10]基于K-S检验法和ALTA的IGBT模块可靠性寿命分布研究[J]. 吴华伟,叶从进,聂金泉. 重庆交通大学学报(自然科学版). 2019(01)
硕士论文
[1]IGBT的寿命评估方法研究[D]. 周利华.安徽理工大学 2017
[2]功率IGBT模块工况分析及其寿命预测方法研究[D]. 王鹏冲.河北工业大学 2016
[3]IGBT模块的热应力分布及其与器件寿命的关联性研究[D]. 王美茹.河北工业大学 2015
[4]IGBT功率模块结温探测和寿命预测[D]. 王贺.河北工业大学 2015
本文编号：3589496
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