返回
鈞聯(lián)汽車電子李?。篠iC功率模塊關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間： 2023-11-08
來源： NE時(shí)代新能源
轉(zhuǎn)載自NE時(shí)代：
?
“碳化硅能做一些什么呢，包括體積、重量、效率的改變，帶來了什么實(shí)際好處呢？就是便宜又好，我們就講性價(jià)比，我們現(xiàn)在要做的事是把歐美的廠商打敗。不要自己卷，要向外面卷?！焙戏殊x聯(lián)汽車電子有限公司副總經(jīng)理李俊稱。
?
在車上動(dòng)力是核心，核心動(dòng)力來自于電驅(qū)，電驅(qū)動(dòng)力來自于功率模塊。碳化硅和硅本質(zhì)上沒有太大差異，只是碳化硅目前的結(jié)晶技術(shù)導(dǎo)致良率不是特別高，所以碳化硅的成本還是比較高的。碳化硅健康管理主要通過主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式進(jìn)行管理。主動(dòng)我們就做熱管理，被動(dòng)的我們就監(jiān)測它的各種電壓電流的信號(hào)。
?
鈞聯(lián)在碳化硅模塊上應(yīng)用做了兩款800V的碳化硅電驅(qū)動(dòng)總成，一個(gè)是250千瓦，一個(gè)是200千瓦的，速度都在20000轉(zhuǎn)，都按功能安全做的。我們把整個(gè)汽車電力電子變換都做了，MCU、OBC、DCDC、DCAC都做了，我們還做了碳化硅封裝技術(shù)的相關(guān)研究，單面水冷、雙面水冷、HPD封裝的都有。
?
以下是演講實(shí)錄。
李俊：各位行業(yè)大佬下午好，我今天代表鈞聯(lián)給大家?guī)淼脑掝}討論是關(guān)于“碳化硅功率模塊關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用”，我今天演講主要圍繞三個(gè)方面。第一，碳化硅模塊的關(guān)鍵技術(shù)。第二，碳化硅健康管理。第三，鈞聯(lián)在碳化硅模塊上的應(yīng)用做了哪些工作。
?
最近大家知道碳化硅這個(gè)話題很火，美國總統(tǒng)拜登都把碳化硅材料作為中美博弈的戰(zhàn)略資源，我們也要做好作戰(zhàn)的準(zhǔn)備。這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)大家很清楚，在車上動(dòng)力是核心，核心動(dòng)力來自于電驅(qū)，電驅(qū)動(dòng)力來自于功率模塊。碳化硅能做一些什么呢，包括體積、重量、效率的改變，帶來了什么實(shí)際好處呢？就是便宜又好，我們就講性價(jià)比，我們現(xiàn)在要做的事是把歐美的廠商打敗。國內(nèi)研究界、學(xué)界做了很多研究，有些資料是我們自己研究的結(jié)果。它的關(guān)鍵技術(shù)和原來的硅材料差異不大，從原材料到制成模塊最后封裝起來，做的事情也基本相當(dāng)。原材料本質(zhì)上沒有太大差異，只是碳化硅目前的結(jié)晶技術(shù)導(dǎo)致的良率不是特別高，所以碳化硅的成本還是比較高的。
?
?碳化硅雖然大家提了很多年，十年前我們就做了樣機(jī)的研制，碳化硅當(dāng)時(shí)是14倍的硅材料的價(jià)格，我們做了樣機(jī)也研究了，但是最終沒有成。除了本身的良率問題，還有問題是碳化硅大家都沒有吃透，主要是碳化硅這個(gè)材料是不同于硅基材料的。
?
?這是IGBT的模型，我們針對(duì)這個(gè)模型移植到碳化硅研究它的健康管理，一個(gè)道理，碳化硅材料的壽命和結(jié)溫最高溫度以及溫度波動(dòng)關(guān)系密切。中間這張表它的溫度波動(dòng)和生命周期是成指數(shù)關(guān)系的，左邊圖也很明顯，這是一個(gè)生命周期的模型。
?
我們做了什么工作呢？第一，把碳化硅的機(jī)理模型建立起來，和硅基不同。第二，把它的模型拿出來，碳化硅帶來的好處主要是高頻，但是任何事情都是雙面的，高頻的結(jié)果可能就帶來了電磁干擾，DV/DT和DI/DT比較高。我們做的是多維信號(hào)測量特征值，特征值的選取也是技術(shù)研究的重點(diǎn)。最后我們構(gòu)建基于數(shù)字孿生的大數(shù)據(jù)健康管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)生命周期在線掌控和壽命預(yù)測。整個(gè)變化過程當(dāng)中，車的心臟是動(dòng)力單元，動(dòng)力來源于電驅(qū)，而電驅(qū)的心臟就是電力電子變換器，電力電子變換器的核心就在于這些器件，通過故障分析的結(jié)果，半導(dǎo)體器件是它的故障源頭，而且這些源頭是偶然和隨機(jī)占主要的。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象我們就要研究碳化硅器件它的故障、生命周期，我們要用哪些手段干預(yù)它。
?
?對(duì)于人來說我們現(xiàn)在有主動(dòng)健身、被動(dòng)吃藥的方式，芯片也有主動(dòng)和被動(dòng)的方式。主動(dòng)我們就做熱管理，被動(dòng)的我們就監(jiān)測它的各種電壓電流的信號(hào)，看看它健不健康，還能活多久。控制器的損耗主要是導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗兩種，總損耗是這個(gè)，因?yàn)樗欠庋b的模塊。散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候就是把這些變量輸進(jìn)去，然后通過有限元獲取參數(shù)，通過克里金算法，最后我們把優(yōu)化的數(shù)據(jù)帶入試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥鎏幚?，我們就?duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，右側(cè)是整個(gè)電機(jī)和電控系統(tǒng)散熱優(yōu)化的過程。
?
?
?
剛才談到了熱，為什么要監(jiān)測溫度呢？實(shí)際上我們這個(gè)模塊環(huán)節(jié)當(dāng)中最脆弱的是模塊的鍵合線，這個(gè)鍵合線因?yàn)槭裁炊嗳跄兀?/span>
?
?
是因?yàn)闇囟确磸?fù)波動(dòng)。做模塊的都知道這些材料是不同的，它反復(fù)熱的膨脹率是不一樣的。我們就要對(duì)它的鍵合線進(jìn)行監(jiān)控，這是被動(dòng)方式，剛才講的是主動(dòng)熱管理的方式。被動(dòng)方式存在幾種故障，一種是綁定線脫落了，還有引線斷裂了，我們通過什么機(jī)理獲取呢？這個(gè)方法根本原理就是采集電阻和電壓等溫度敏感系數(shù)，左邊這個(gè)是半橋的模塊，是IGBT的模型，我們引用到碳化硅上也一樣。只是它的壓降和其他的參數(shù)有些不同，原理是一樣的。我們把它寄生參數(shù)都獲取了，我們?cè)趦蓚?cè)檢測它的電壓。我們可以看到綁定線的地方脫落一個(gè)點(diǎn)，電壓會(huì)高一點(diǎn)，每一個(gè)溫度下曲線是不一樣的，最后我們可以監(jiān)測電壓的變化，獲取綁定線脫落的幾個(gè)點(diǎn)數(shù)，然后就知道它損壞的程度，評(píng)估它是否該維修了。第二個(gè)方法，檢測焊錫層，現(xiàn)在碳化硅有的是用銀燒結(jié)的方式，IGBT現(xiàn)在流行的工藝手段來說的。
?
?
這上面是它的模型，下面是測試工具，做1300個(gè)循環(huán)，健康的結(jié)果可以看到后面是完整的，損壞大約一半的情況下是這樣的，焊錫老化是可見的。中間的過程做1300個(gè)循環(huán)，中間有些焊錫發(fā)熱點(diǎn)比其他地方多一些，這種方式就是我們已經(jīng)確定有一些問題的時(shí)候做的離線的方式，我們已經(jīng)把模塊從一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中拿出來了。
?
上面處理手段都是監(jiān)測，為了解決這些問題，我們對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行技術(shù)手段去監(jiān)測它。
?
?
這些技術(shù)手段包括加裝智能傳感器，還有借助于強(qiáng)大算力的MCU，我們采用FPGA做的，也可能有人會(huì)質(zhì)疑，你用英飛凌的芯片去算可以嗎？也可以。我們做一些主動(dòng)的熱管理之后剩下的就是把門極驅(qū)動(dòng)做一些處理，對(duì)環(huán)境因素像濕度、光照、壓力、磁力、振動(dòng)這些因素也會(huì)考慮進(jìn)去，最后做一個(gè)比較前面的驅(qū)動(dòng)方案。另外一種手段就是對(duì)這個(gè)器件進(jìn)行實(shí)時(shí)在線評(píng)估，原來損耗模型是經(jīng)過電流和ESR乘積的累計(jì)結(jié)果，建立這個(gè)模型是它的熱阻和損耗乘積再加上環(huán)境溫度，這是一個(gè)常規(guī)模型，很多工程師都會(huì)算，直接在數(shù)據(jù)手冊(cè)上都可以導(dǎo)出來。但是有一個(gè)問題，這都是常態(tài)的，你可以獲得穩(wěn)定值，動(dòng)態(tài)的不容易評(píng)估，還有累計(jì)的結(jié)果并不是這樣的。累計(jì)結(jié)果不一樣體現(xiàn)在什么地方？一個(gè)是ESR會(huì)變，中間這幅圖就可以看到ESR經(jīng)過長時(shí)間累計(jì)會(huì)變大，它的壽命模型我們是要改進(jìn)的，應(yīng)該和前面幾個(gè)熱模型的關(guān)系是關(guān)聯(lián)的，呈指數(shù)關(guān)系。
?
?
另外它的損傷是累計(jì)損傷的結(jié)果，并不是某一段時(shí)間恒定的結(jié)果，我們通常工程師選器件的時(shí)候會(huì)有一個(gè)習(xí)慣，拿恒定的比如600A的模塊用到500A，這個(gè)時(shí)候我們計(jì)算一下它的損耗，實(shí)際上這是不準(zhǔn)確的，因?yàn)樗窃诓煌Ｗ兓?，我們要改進(jìn)它。改進(jìn)的結(jié)果，整個(gè)生命周期當(dāng)中都是要把變應(yīng)力轉(zhuǎn)化為恒應(yīng)力，我們從概率統(tǒng)計(jì)的結(jié)果來看它的曲線圖。
?
?通過威布爾擬合得到曲線圖，最下面的地方可以看到是一個(gè)功率器件曲線后半段，我們擬合之后曲線是這樣的，還有多少壽命可以存在，這是一種手段。還有碳化硅高頻開關(guān)會(huì)帶來很多問題，比如串?dāng)_，會(huì)帶來一些問題。我們對(duì)于主功率回路進(jìn)行調(diào)整，通過其他的手段比如現(xiàn)在有的驅(qū)動(dòng)是分段式驅(qū)動(dòng)，有的是變電阻驅(qū)動(dòng)，這些驅(qū)動(dòng)芯片包括一些技術(shù)研究成果都很多，比如改變柵極驅(qū)動(dòng)電阻，我們只分2—3段也可以實(shí)現(xiàn)它，不一定需要這么多。振蕩的過程大家很清楚，就是因?yàn)樗纳鷧?shù)小，我們才能高頻開關(guān)。但是高頻開關(guān)的時(shí)候它的振蕩會(huì)影響它的壽命。
?
?整個(gè)智能驅(qū)動(dòng)采取的是多信息融合的健康管理理念，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后狀態(tài)監(jiān)測、健康評(píng)估，然后對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測，提供給維護(hù)工程師或者其他售后部門，我們這個(gè)模塊要換了還是等到壽命快終結(jié)的時(shí)候，就像知道一個(gè)人要離去了，我們應(yīng)該做好準(zhǔn)備。我們這個(gè)數(shù)據(jù)怎么獲取的，通過人機(jī)接口和其他系統(tǒng)接口，我們已經(jīng)把這個(gè)系統(tǒng)嵌入了鈞聯(lián)研制的控制器里，可以通過離線的方式把這個(gè)數(shù)據(jù)下載下來，也可以在線方式通過CAN接口把它導(dǎo)出來。
?
?在這個(gè)基礎(chǔ)上我們更進(jìn)一步研究，已經(jīng)涉及到整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性了，這個(gè)時(shí)候我們會(huì)借助一些現(xiàn)在流行的技術(shù)手段，比如借助于卷積分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，還有數(shù)字編碼和其他的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。通過一個(gè)巨磁檢測的方式檢測電機(jī)的故障和其他的故障。這是電機(jī)一個(gè)測試平臺(tái)，我們這個(gè)平臺(tái)上把漏磁信號(hào)通過傅利葉變化，得到數(shù)據(jù)處理，然后通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法把參數(shù)和特征值提取，通過訓(xùn)練模型預(yù)測當(dāng)前的故障，損壞到什么程度。另外一種技術(shù)手段，借助于多物理場仿真，左邊就是利用MATLAB，是系統(tǒng)級(jí)的，輸入電流電壓參數(shù)，依賴于MATLAB和Pspice，達(dá)到模塊級(jí)的，上面是開關(guān)的損耗，下面是導(dǎo)通損耗，最后得到芯片級(jí)的三維熱模型。
?
?另外一個(gè)手段，很多工程師都有各種各樣的仿真工具，從多物理場到單板級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、芯片級(jí)的，有人覺得仿得不準(zhǔn)，是有這個(gè)問題，因?yàn)闆]有閉環(huán)，仿是仿，但是沒有閉環(huán)。很多結(jié)構(gòu)工程師有經(jīng)驗(yàn)，我們?nèi)シ?，仿完了以后預(yù)估的熱和實(shí)際測出來的溫度差異很大，為什么？沒有閉環(huán)。理論到實(shí)際和實(shí)際到理論的反復(fù)地結(jié)果，才能讓我們的仿真更加精細(xì)，更加切合實(shí)際。左邊的碳化硅模型我們用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做一個(gè)處理，通過MATLAB和Pspice反復(fù)結(jié)合，是一個(gè)閉環(huán)的過程。這個(gè)運(yùn)行工況輸入，可以用Pspice獲取IGBT動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，然后我們反復(fù)閉環(huán)，最后得到的結(jié)果是一個(gè)接近真實(shí)的結(jié)果。完全精準(zhǔn)很難，比如這個(gè)模型拿去做電磁仿真，高頻段就沒那么準(zhǔn)了，因?yàn)閰?shù)有變，仿真和實(shí)際要結(jié)合起來。
?
?
我們鈞聯(lián)在碳化硅模塊上應(yīng)用做了哪些工作呢？我們做了兩款800V的碳化硅電驅(qū)動(dòng)總成，一個(gè)是250千瓦，一個(gè)是200千瓦的，速度都在20000轉(zhuǎn)，都按功能安全做的。我們還做了單電控，只有7.5千克。整個(gè)鈞聯(lián)到現(xiàn)在已經(jīng)四五年了，我們這塊做了很多工作。我們把整個(gè)汽車電力電子變換都做了，MCU、OBC、DCDC、DCAC都做了，我們還做了碳化硅封裝技術(shù)，單面水冷、雙面水冷、HPD的模型。
?
?我今天的匯報(bào)就到這里，謝謝。