产能紧缺,热管理助IGBT“续命”

新能源车的销量增长趋势与芯片短缺现状,加之未来疫情走势的不确定性,IGBT的市场供应情况依然处于较为紧张的状态。

与其他功率器件类似,为了确保其高效、安全和稳定地工作,针对IGBT模块的热管理技术是新型产品设计和应用的最重要环节。

 

 

01 何为IGBT?

IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)是一种功率半导体器件,它的中文名叫“绝缘栅双极晶体管”,是由BJT(双极结型晶体管)和MOSFET(绝缘栅场效应管)组成的。作为能量转换和电能控制的核心功率器件,IGBT被称为电力电子行业里的“CPU”。

根据工作环境的电压不同,IGBT可以分为低压(600V以下)、中压(600V-1200V)、高压(1700V-6500V)。一般低压IGBT常用于变频白电、新能源汽车零部件等领域;中压IGBT常用于工业控制、新能源汽车等领域;高压IGBT常用于轨道交通、电网等领域。


不同电压的IGBT,应用于不同领域
资料来源:Yole,中信证券

集邦咨询预测,2018年-2025年中国IGBT年复合增长率将达19.96%,到2025年中国IGBT市场规模将达到522亿元,复合增长率达19.11%,是细分市场中发展最快的半导体功率器件之一。

车规级IGBT主要应用于电动汽车领域中以下几个方面:
①电动控制系统:大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机,车载空调控制系统;
②小功率直流/交流(DC/AC)逆变,使用电流较小的IGBT和FRD;
③充电桩:智能充电桩中IGBT模块被作为开关元件使用。


IGBT在混合动力(HEV)/纯电动(EV)汽车中的相关应用
图片来源:知网

就我国来说,IGBT的下游应用市场中新能源汽车占比约30%,根据英飞凌相关数据,新能源中汽车功率半导体器件的价值量约为传统燃油车的5倍以上。其中,IGBT约占新能源汽车电控系统成本的44%,占据整车成本的10%。IGBT是除电池之外,电动汽车当中成本第二高的元器件。

目前的国内车企中唯一拥有IGBT完整产业链的车企只有一家比亚迪。国内汽车的核心部件上,主要还是采用进口IGBT产品为主。新能源车的销量增长趋势加之芯片短缺现状,加之未来疫情走势的不确定性,IGBT的市场供应情况依然处于较为紧张的状态。

02 针对IGBT模块的热管理

功率器件离不开热学特性。IGBT功率半导体模块的弱点是过压过热,其处理热量的能力限制其高功率的应用。

例如,在电动汽车的应用中其引擎盖下的温度可能超过结温(150℃);新能源发电系统中功率器件上的结温波动高达80℃。电力电子器件的可靠性主要受最高温度和温度循环的影响,55%的电驱动故障由功率器件的热循环或温度升高导致。其根本原因是具有不同热膨胀系数的材料在温度梯度下产生热位移,在不同材料交界处形成热应力,从而引起功率模块材料界面老化导致接触变差,使得器件结温上升,最终导致焊料层和键合引线失效,这会给用户造成代价高昂的系统停运甚至灾难性的故障。

可以说,大部分的IGBT功率半导体模块的失效原因都与热量有关,因此,IGBT的可靠性也受到了业界与学界的广泛关注,也成为目前研究热点所在。

针对IGBT模块的热管理方法可以分为内部热管理和外部热管理。在具体的应用中,由于冷却系统和半导体器件基板之间的热容很大,只有缓慢变化的温度才能得到补偿,因此外部热管理适用于低频结温波动。而对快速的温度变化,则考虑调节系统中与温度相关的电参量,也即内部热管理,来直接影响结温。


功率器件在电动汽车中的使用
图片来源:比亚迪

 

03  内部热管理

内部热管理的主要思路是改变IGBT模块的损耗以平滑由于负载功率波动导致的结温波动,迄今为止,学者们已经探索出了包括调节开关频率、栅极电阻、占空比、循环无功功率和功率路由器等多种主动热管理策略,并从理论和实验上证明其可行性。魏云海、陈民铀等人将这些方法按器件级主动热管理和系统级主动热管理进行分类分析和对比。


主动热管理方法 / 图片来源:知网

对比得出,不同的热管理方法在其影响参量、应用场景和调节方式等诸多方面均存在差异,因此不能从单一角度对其进行评价。

研究者将各方法按是否需要修改原拓扑、对输出有无影响、响应速度、实现难度、热应力缓解程度和适用场合等多方面进行综合对比,建立出一个全面的评价体系,涵盖了开关频率、驱动电压、栅极电阻、调制方式、占空比、缓冲电路、输出频率、直流母线电压、无功调节、有功调节、功率动态分配和负载电流等主动控制方法。具体分析如下:

(1)对于通过调节驱动电压和栅极电阻进而平滑结温这两类技术,均需要特制的栅极驱动器才能实现,而系统自带的驱动器通常不能满足。同样地,缓冲电路法也需要对原电路进行修改。其余方法则只需在现有的拓扑基础上对控制算法进行改进即可。其中,通过调整电路结构实现平滑结温的策略,需要引入辅助开关管,来实现相应的切换,增加的辅助电路势必会带来额外损耗。

(2)驱动电压法、栅极电阻法和缓冲电路法均是基于调节IGBT开关瞬态的dIC/dt和dUCE/dt,从而改变器件的开关损耗;直流母线电压法则在电机处于低速时,利用母线电压的冗余调节器件开关损耗;无功调节法将用于平滑结温的无功功率限制在系统内部;功率动态分配法只是根据器件老化程度而重新分配每个子模块输出功率,因此以上热管理策略均认为对输出电能质量没有影响。

(3)根据控制策略所作用的位置不同,响应速度也会不同,即越靠近功率器件,对结温的调控速度将越快。

研究者通过对电力系统的热分析表明,同一个变流器中的各功率器件承受热应力存在差异,这种差异在系统发生故障时尤为明显。因此,有必要对系统内各功率器件实现差异性的主动热管理。

而主动热管理方法大都具有一定的兼容性,故可根据需要在一个系统中使用多种热管理方法,通过融合多个策略以最大程度减小功率器件的热效应冲击。


内部主动热管理方法综合对比(局部)图片来源:知网

 

04  外部热管理

IGBT模块外部热管理方法多用于补偿环境温度变化或控制平均结温,而针对平滑结温变化的研究相对较少。

有研究者发现,在一定程度内牺牲平均结温以降低结温波动来提高IGBT的寿命是可行的。

重庆大学的科研人员将基于微分几何的精确线性化方法应用于IGBT外部热管理系统中,提出了一种IGBT外部热管理系统的建模方法。该建模方法的泛用性较强,只需更改损耗计算模型,即可应用于各种需要进行热管理的变流器设备。科研人员得出主要研究结论如下:

(1)建立了IGBT模块和散热器的热网络模型并列写了状态空间方程,发现其中含有非线性成分,在热管理控制系统的设计中,难以应用常规的线性系统设计方法。

(2)为了消除非线性成分对控制系统设计带来的困难,科研人员首次将状态反馈线性化的数学方法引入热管理系统建模中,推导出非线性坐标变化矩阵和状态反馈控制律,将模型中的非线性成分消去,实现了原系统的线性化,并基于无源性理论,设计了热管理闭环控制策略。

(3)将所提建模和设计方法应用在Buck电路中。实验证明了所提方法的可行性,负载电流在额定值的60%-100%范围内变化时,该方法有效地降低了由于负载变化导致的低频结温波动,提高了IGBT约69倍的寿命。


热管理闭环控制方法的应用 图片来源:知网

与其他功率器件类似,一个高效 、稳定 、方便和紧凑的冷却系统对IGBT器件的设计具有重要意义,以确保其安全和稳定的工作。上文从内部热管理与外部热管理两个方面,论述了IGBT模块的主动热管理方法,可能并不全面,但可以肯定的是,进行热管理设计,是解决IGBT模块散热的必要措施和有效手段。

尤其是随着IGBT模块功率密度的增加、应用环境的恶劣、可靠性和寿命的要求提高,对IGBT模块而言,其热设计和热管理技术是新型产品设计和应用的最重要环节。

05 文献来源

1、魏云海,陈民铀,赖伟,张金保,胡宇隆.基于IGBT结温波动平滑控制的主动热管理方法综述[J].电工技术学报,2022,37(06):1415-1430.

2、翟鑫梦,李月锋,李抒智,陈俊锋,姜维宾,安勇,臧天程,苏晓锋,张明鹏,赵巍,许良鹏,邹军.IGBT功率模块热管理研究[J].应用技术学报,2020,20(03):211-219.

3、孙林,孙鹏菊,罗全明,王绪龙,周雒维.基于状态反馈线性化的IGBT外部热管理[J].电工技术学报,2021,36(08):1636-1645.

4、刘春晖.IGBT在新能源汽车中的应用(上)[J].汽车维修与保养,2020(09):73-76.

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