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EV/HEV用IGBT将增长3倍,IGBT仿真与测试引关注

日期:2016年12月8日

  摘要:EV/HEV用IGBT在5年内将增长3倍。由于EV/HEV的电力系统更加复杂,IGBT的热设计与可靠性分析与测试十分重要,需要借助软硬件结合的方式进行仿真与测试。
  据欧洲市场调查公司Yole Development于2015年7月发布的预测报告显示,从2014年到2020年IGBT的使用量将持续增长。其中EV/HEV(电动汽车/混动汽车)的IGBT/电力电子器件会达到3倍的增长。
IGBT可靠性引人关注
  相比传统汽车,EV/HEV会产生更多的热量,因此分析和测试更复杂。热量产生主要包括六部分:1.HVAC(暖通空调),坐在汽车中,冷/热风吹在身上可产生舒适的感觉;2.引擎冷却与循环系统;3.润滑油系统,通过油的交换把热量带到不同的系统;4.电力马达;5.电力电子器件的散热;6.电池组。
  因为热问题,也引发了汽车召回事件。例如《汽车新闻》2014年9月20日报道,福特因为热失效召回7.4万较老的混合动力汽车。Autoblog website于2014年1月14日报道,特斯拉召回了2.9万个Model S 墙上充电器来防止过热。
  “相对来说,电力电子器件的可靠性和寿命更重要,而且分析起来更为复杂。”Mentor Graphics 机械分析部的市场营销和产品策略总监Keith Hanna 博士称。这是因为IGBT是开关器件,作用是把电池的电送到马达中,因此在使用过程中需要经历长时间周期性的功率循环,即不停地进行开/关(导通/关断)动作,会对IGBT器件施加热-机械应力,从而对器件产生破坏性的影响。热损害可能是由于热学应力性能的降低,例如引线键合失效,合金层脱落,焊接层疲劳、失效等引起。
  IGBT的实际工作状态会随着路况产生区别。在图2的路谱图中,可见汽车加速/减速的运转过程对IGBT的开关寿命的影响。在市区开车时,开关动作频繁;在高速公路时,车基本是匀速状态。所以在做IGBT测试时,需要了解不同国家的汽车使用习惯,通常会根据各个城市/国家的道路路谱进行分析。然后进行3D软件仿真模拟,得出IGBT器件结温变化和时间的关系图,结合人工IGBT功率循环测试的实验结果,可以估计出IGBT现场寿命。
  在中国,通常有三类客户会对IGBT测试感兴趣:1.中国OEM厂商自己在做IGBT;2.外购IGBT后需要检查IGBT的质量;3.一些严谨对质量要求严格的公司买进IGBT后,甚至会参考产品datasheet(数据表)的测试方法进行产品检验。
  Mentor公司机械分析部近日推出了用于功率循环测试的可扩展产品——MicReD Power Tester 600A功率循环测试设备,可以帮助客户通过功率循环测试的方法和3D软件模型对IGBT进行仿真和测试。例如通过结温的变化可以知道EV/HEV加速时结温上升了多少及频率,并进而了解对IGBT器件产生了多大的破坏。它可以进行热学分析,例如一共循环了多少次,上升幅度和频率,以对IGBT的寿命进行预估。
  MicReD Power Tester 600A可进行热可靠性的综合诊断;借助MicReD T3Ster产品中特有的 Mentor校准技术,提高相关的三维CFD(计算流体动力学)的仿真精度。仿真错误能从通常的20%降至0.5%;并且此设备的可扩展性更强,最多可测试128个串联IGBT器件。

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