Moduli di potenza per veicoli ibridi ed elettrici

MOBILITA' ELETTRICA –

Per assicurare che i moduli di potenza utilizzati nei veicoli ibridi ed elettrici siano capaci di soddisfare i requisiti tipici dell’applicazione, come sostenere più di tre milioni di cicli termici attivi, devono essere presi particolari accor-gimenti.

Attualmente il 4% di tutti i moduli di potenza in uso lo si può trovare in applica-zioni automotive. Nei prossimi anni, si prevede che questo mercato cresca di un impressionante 20% annuo. Le possibilità di applicazione sono vaste, e inverter per unità ibride ed elettriche si possono già trovare in autocarri, bus e veicoli agricoli, così come nelle auto da corsa. L'attenzione in ogni caso è focalizzata sullo sviluppo di tecnologie di packaging affidabili per moduli di potenza. Le so-luzioni di packaging prevalenti oggi sono moduli a saldare con e senza base pla-te e, più recentemente, moduli senza base plate che usano la tecnologia di sin-terizzazione. Queste tecnologie hanno vantaggi e svantaggi, che è il motivo per cui la progettazione della durata della vita di servizio richiede la loro valutazio-ne, relativamente ai requisiti per veicoli ibridi ed elettrici. Il cambiamento della temperatura ambiente, ad esempio in un ciclo di raffreddamento ad acqua, è responsabile dei cicli termici passivi. Inoltre, le perdite di potenza che si verifi-cano nei semiconduttori di potenza producono brevi sbalzi di temperatura da DT = 40°C a 60°C. A tale proposito, i semiconduttori di potenza sono riscaldati ad esempio dalla temperatura dell'acqua di raffreddamento di 70°C a più di 110°C - 130°C, dopo la quale si riabbassano alla temperatura dell'acqua di raf-freddamento. A causa dei diversi coefficienti di espansione termica dei materia-li usati, ogni cambio di temperatura che si verifica causa sforzi meccanici. Ciò stressa il materiale nelle connessioni a saldare e nei bond e, infine, causa guasti dei componenti.

Evitare connessioni a saldare
Nei moduli senza base plate caratterizzati dalla tecnologia di contatto a pres-sione, vengono seguiti diverse strategie per aumentare l'affidabilità del modu-lo. Evitando in modo consistente le connessioni saldare, lo stress della saldatu-ra - una delle cause principali di guasto dei moduli di potenza - può essere completamente eliminato. Le connessioni a saldare tra chip e substrato cerami-co isolante Dbc sono sostituite da strati di sinterizzazione altamente stabili e connessioni conduttive basate sulla tecnologia a pressione. La rimozione del base plate ha svariati benefici: innanzitutto, lo spessore dello strato di pasta termica tra modulo e dissipatore può essere ridotto. La pasta termica è uno dei fattori principali che contribuisce alla resistenza termica totale nei moduli di potenza; questo è il motivo per cui dovrebbe essere usato uno strato di pasta termica il più sottile possibile. Nei moduli con base plate, è necessario uno stra-to di pasta termica di 75…150 µm di spessore per compensare la curvatura del base plate. Nei moduli senza base plate, il problema principale da affrontare è come compensare la rugosità della superficie tra dissipatore e Dbc, che è il mo-tivo per cui è sufficiente uno strato di pasta termica spesso 20-30 µm. Rimuo-vere il base plate significa eliminare una delle cause principali di stress termico.
Lo stress termico è effettivamente ridotto e l'affidabilità è aumentata quindi in modo significativo, come mostrano test di shock termico passivo  40°C / 125°C: nel caso dei moduli sinterizzati senza base plate, il numero di shock termici possibili è aumentato di un fattore 15. Un ulteriore vantaggio della rimozione delle interconnessioni a saldare e del base plate è che, nei moduli con il base plate le aree del Dbc saldate dovrebbero essere ridotte al minimo allo scopo di ridurre lo stress del materiale nelle giunzioni a saldare; l'elevata conduttività termica del base plate assicura la necessaria diffusione del calore. Nel progetta-re un modulo senza base plate, al contrario, l'area del Dbc può essere più mag-giore.

Distribuzione ottimale del calore
Il seguente documento cerca di posizionare Igbt e free wheeling diode in un modulo inverter a 3 fasi, 400 A, 600 V. Nel caso di modulo con base plate, ven-gono usati due Igbt da 200A e due free wheeling diode da 200A per switch. Una fase completa quindi consiste di 4 Igbt e 4 diodi di free wheeling. La combina-zione ottimale per i moduli senza base plate è quattro Igbt da 100 A e due diodi di free wheeling da 200 A per switch (otto Igbt e quattro diodi di free wheeling per fase). Questo significa che l'area di base di un modulo trifase senza base plate sarà circa il 10% maggiore di quella di un modulo con base plate.
Quando l'inverter è in funzione, si verificano perdite di conduzione e di swi-tching, che significa che i semiconduttori di potenza si comportano come fonti locali di calore. Con l'aiuto dei calcoli agli Elementi Finiti 3D, si può ottenere la diffusione termica in un modulo inverter e nel dissipatore per ogni specifico stato di funzionamento. Ad esempio, quando un veicolo ibrido o elettrico viene accelerato, la maggior parte delle perdite di potenza sono prodotte nell'Igbt, mentre i diodi di free wheeling sono soggetti ad un carico inferiore.
Questo è il motivo per cui nell'immagine termica, le posizioni dell'Igbt sono vi-ste come considerevoli fonti di calore. Nel caso di moduli con base plate, il ca-lore è concentrato nel centro della configurazione trifase. A causa del posizio-namento vicino dei semiconduttori e della breve distanza tra le fasi, le tempe-rature degli Igbt sono le più alte a questo punto. Sebbene in questo stato di funzionamento i diodi di freewheeling sono soggetti solo ad un carico modera-to, gli Igbt causano il riscaldamento considerevole dei diodi al centro del modu-lo. Ai bordi del modulo inverter, la temperatura dei diodi è al contrario 15°C inferiore. Nonostante la presenza del base plate, i semiconduttori di potenza nelle aree di bordo del modulo inverter diventano molto meno caldi di quelli nel centro, che in definitiva porta ad una distribuzione del calore non omoge-nea nel trifase: il carico termico principale sugli Igbt nella fase centrale è quasi 10°C più alto della temperatura media degli Igbt della fase esterna. La differen-za tra la massima e minima temperatura degli Igbt è più di 20°C. La fase centra-le limita la potenza elettrica utilizzabile dell'intero modulo inverter. Questo ha due conseguenze: da un lato, le condizioni di raffreddamento ed il carico devo-no essere selezionati in modo che le temperature della parte centrale del Dbc non diventino troppo elevate; dall'altra, i meccanismi di danneggiamento in-dotti dalla temperatura hanno un effetto maggiore sulla fase centrale.
Nei moduli SKiM senza base plate, la diffusione del calore è molto più omoge-nea: anche in questo caso le posizioni degli Igbt possono essere viste come le fonti più forti di calore. In ogni caso, dal momento che le perdite termiche sono distribuite su diverse posizioni e la distanza tra i Dbc è maggiore, è disponibile più spazio per la dissipazione del calore. Le perdite prodotte possono essere dissipate in modo efficace, riducendo il riscaldamento reciproco tra Igbt e dio-do. La dissipazione ottimale del calore assicura anche una distribuzione omo-genea del carico tra le diverse fasi: le temperature degli Igbt e dei diodi sono omogenee tra le tre fasi dell'inverter di potenza; la temperatura media degli Igbt è quasi identica per tutte e tre le fasi. La massima differenza di temperatu-ra tra gli Igbt non è più di 10°C. Il carico è distribuito uniformemente e fa un uso ottimale della potenza di raffreddamento disponibile, facilitando quindi la pro-gettazione globale del sistema. Inoltre, sensori di temperatura per ogni substra-to ceramico isolante Dbc permettono di valutare separatamente le singole fasi, fornendo una possibilità di controllo aggiuntiva per le temperature di funzio-namento.

Temperatura e vita di servizio
Per gli attuali carichi termici di un inverter in funzionamento, bisogna prendere in considerazione carichi tempo-dipendenti. Durante il funzionamento di un veicolo ibrido o elettrico, si verificano diversi stadi di carico: durante l'accelerazione del veicolo gli Igbt sono sottoposti ad un carico particolarmente elevato, mentre durante la decelerazione, quando ha luogo il recupero dell'energia e la batteria del motore elettrico si ricarica, sono i diodi di free-wheeling ad essere sottoposti al carico maggiore. Per descrivere il riscaldamen-to tempo-dipendente del modulo inverter, bisogna anche capire il comporta-mento del modulo di potenza per cicli di carico dell'ordine degli 0.1s - 30s. La resistenza termica tempo-dipendente degli Igbt aumenta per entrambe le con-figurazioni in linea con la durata degli impulsi di carico. Il calore inizia a fluire, diffondendosi dai semiconduttori di potenza in direzione del dissipatore, causando il riscaldamento dell'intero modulo. Se gli impulsi di carico durano più di 30s, il modulo si riscalderà completamente e la resistenza termica cesse-rà di aumentare. I valori della resistenza tempo-dipendente possono ora essere usati per calcolare il carico termico che agisce sugli switch e le valvole durante il funzionamento. Per fare ciò, vengono considerati cicli di carico realistici, come si verificherebbero nell'applicazione, per simulare stadi di carico tipici e durate degli impulsi di carico. Prendiamo l'esempio del drive cycle di un veicolo ibrido. Durante la fase iniziale di start-up e nelle fasi di accelerazione, l'energia viene presa dalla batteria per alimentare il motore elettrico. In queste fasi di accele-razione la potenza di uscita raggiunge i 60 kW. La temperatura degli Igbt arriva a 95°C in linea con l'uscita dell'inverter. Durante le fasi di velocità costante è necessaria una potenza dell'inverter molto piccola, e la temperatura dei semi-conduttori diminuisce di nuovo. Durante la decelerazione lo scopo è di recupe-rare la maggiore quantità possibile di energia e alimentare indietro la batteria. Quindi le perdite di potenza di Igbt e diodi è approssimativamente la stessa, mentre il calore da dissipare è il più elevato, e gli Igbt raggiungono quasi 110°C.
Il massimo aumento di temperatura degli Igbt è ΔT = 40°C. In termini di vita di servizio del modulo, questo è equivalente a 6 milioni di cicli di carico. Si può essere capire l'importanza di una distribuzione omogenea della tempera-tura per la vita di servizio di un inverter e la progettazione se si considera un aumento della temperatura di soli 10°C - ΔT = 50°C - in cui il numero dei possi-bili cicli di carico è 3 volte inferiore a soli 2 milioni di cicli. Per facilitare la pro-gettazione della vita di servizio e fare un uso ottimale dei semiconduttori, la distribuzione omogenea delle perdite è un must.

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