Sitemize Nasıl Ulaştınız

Arama Motorlarından
Arkadaşımdan
Tesadüf

Hibrid ve Elektrikli Araçlar için Güç Modülleri
Dr. Volker Demuth, Ürün Müdürü – Semikron

 

Hibrid ve elektrikli araç sürücü sistemlerindeki güç çeviricileri önemli sıcaklık dalgalanmalarına maruz kalmaktadır. Homojen olmayan sıcaklık dağılımı, çıkış gücünü sınırlar ve dönüştürücünün ömrünü azaltır. Sonuç olarak, hibrid ve elektrikli araçlarda kullanılan güç modüllerinin tipik uygulama gereksinimlerini (örneğin üç milyondan fazla aktif-termal-döngüye dayanabilmesi gibi), karşılayabilecek gerekli adımların atılması gerekir. Hibrid ve elektrikli araçların gelecekteki gelişimi ile ilgili olarak, yarı iletken teknolojisi güvenilirliği de önemli bir kalite faktörüdür.

Şekil 1. Taban plakalı (solda) ve lehimsiz taban plakası olmayan (sağda) SKiM modül kesiti. Lehim bağlantının kaldırılması, lehim yorgunluğunu ortadan kaldırır. Taban plakasının kaldırılması termal stresin büyük bir kısmını ortadan kaldırır.

 

Günümüzde kullanımda olan tüm güç modüllerinin %4’ü otomotiv uygulamalarında kullanılmaktadır. Önümüzdeki birkaç yıl içinde bu pazarın yılda % 20 oranında büyümesi bekleniyor. Uygulama olanakları geniştir ve hibrid ve elektrik sürücüler için olan invertörler; kamyonlar, otobüsler, tarım ve yarış araçları gibi otomotiv uygulamalarının içinde de bulunabilmektedir. Farklı uygulama alanlarında gereksinimler farklı olmasına rağmen ana konu güç modülleri için güvenilir paketleme teknolojisinin geliştirilmesidir. Bugünkü mevcut en yaygın kılıflama çözümleri, lehimli taban-plakalı ve taban-plakasız modüller ve yakın zamanda da sinter teknolojili taban-plakasız modüllerdir. Bu paketleme teknolojilerinin farklı avantaj ve dezavantajlarının olması nedeniyle, servis ömrü tasarımı konusunda bu teknolojilerin hibrid ve elektrikli araç uygulamaları gereksinimlerine dayalı olarak değerlendirmesi gerekir. Ortam sıcaklığının değişmesi (örneğin soğutma suyu) pasif termal döngüleri etkiler. Buna ek olarak, güç yarı-iletkenlerde oluşan güç kaybı (5-20s arasında) 40°C ila 60°C arasında bir sıcaklık artışı oluşturur. Örneğin 70°C’lik soğutma suyu sıcaklığında güç yarı iletkenleri sıcaklığı 110°C -130°C üzerine çıkıp, sonra soğutma suyu sıcaklığı ile geri düşer. Kullanılan malzemelerin, farklı ısıl genleşme katsayıları sayesinde, oluşan her sıcaklık değişimi mekanik stres oluşturur. Bu etkiler lehim ve bağlantılarda malzeme yorgunluğuna neden olur ve sonunda malzemenin çalışmaması ile sonuçlanır.

Şekil 2. Taban-plakalı modülde 4 x 200A IGBT ve 4 x 200A diyot yonga yerleşimi ve Taban-plakasız SKiM modülde 8 x 100A IGBT ve 4 x 200A diyot karşılaştırıldığında, optimum ısı dağılımı için büyük DBC alan kullanır.

 

Lehimli bağlantılardan kaçınmak Reliability boost

Taban plakası olmayan modüller, baskı-iletişim (pressure-contact) teknolojisi özelliğine sahiptir ve mevcut dahili bağlantılarda modül güvenilirliği artırır. Lehim bağlantılarından kaçınarak, lehim yorgunluğu (güç modüllerindeki en önemli hata oluşturma mekanizması) tamamen elimine edilebilir. Buradaki yonga ve yalıtkan DBC seramik yüzey arasındaki lehim bağlantılar, oldukça kararlı sinter tabakası ve baskı-iletişim teknolojisi bağlantıları ile değiştirilir. Taban plakasının kaldırılmasının birçok avantajı vardır: Her şeyden önce modül ve soğutucu arasındaki termal pasta tabakasının kalınlığı azaltılabilir. Termal pasta, güç modülünün toplam termal direncini artıran bir faktördür, bu nedenle termal pasta tabakası mümkün olduğu kadar ince kullanılmalıdır. Taban plakalı modüllerde, taban plakası eğimini telafi etmek için 75 ile 150um arasında termal pasta kalınlığı gereklidir. Taban plakasız modüllerde, asıl sorun soğutucu ve DBC yüzeyinin pürüzlülüğünün nasıl telafi edileceğidir. Burada 20-30 mikron kalınlığındaki bir termal pasta tabakası bu telafi için yeterlidir. Taban plakasının kullanılmaması, termal stresin ana nedenini ortadan kaldırmak demektir.

Taban plakasız sinterlenmiş modüllere, 40°C / 125°C aralığındaki hızlandırılmış pasif termal şok testlerin sayısı 15 kat oranında artırıldığında bile sıcaklık-etkili stresin önemli ölçüde azaldığı ve böylece güvenilirliğinde önemli derecede arttığı görülmektedir. Taban plakalı modüllerde, lehim bağlantılarındaki malzeme hatalarını en aza indirebilmek için lehimli DBC alanının azaltılması gerekmektedir. Burada taban plakasının yüksek termal iletkenliği, gerekli termal dağılımı sağlar. Aksine taban plakasız modül tasarımında DBC alanı daha fazla olabilir.

Şekil 3. Taban plakası olan (solda) ve taban plakası olmayan (SKiM, sağ) modülün sıcaklık dağılımı. Yük koşulları: pil voltajı = 350V, çıkış akımı = 250A, çıkış voltajı = 220V, çıkış frekansı = 50Hz, anahtarlama frekansı = 12kHz, faz açısı=0,85, soğutucu sıcaklığı = 70°C

 

Optimum ısı dağılımı

Bu yazıda 3-fazlı 400A/600V inverter modülü içinde IGBT ve diyotun konumlandırması incelenecektir. Taban plakalı modülde, her bir anahtarlama elemanında iki adet 200A IGBT ve iki adet 200A diyot yarı-iletken kullanılmıştır. Bir faz 4 IGBT ve 4 diyottan oluşmaktadır. Taban plakasız modüldeki herbir anahtar için optimize edilmiş yerleşimde asgari dört adet 100A IGBT ve iki adet 200A diyot (faz başına sekiz adet IGBT ve dört adet diyot) vardır.

Taban plakasız modüllerde optimize edilmiş asgari düzenlemede her bir anahtarlama için dört adet 100A IGBT ve iki adet 200A diyot (faz başına sekiz adet IGBT ve dört adet diyot) vardır ve taban plakası olmayan 3-fazlı bir taban alanı, taban plakalı modülden %10 civarında daha büyüktür. İnvertör çalışırken, iletim ve anahtarlama kayıpları oluşur, yani güç yarı iletkenleri yerel ısı kaynakları şeklinde davranır. 3 boyutlu sonlu elemanlar (3D Finite Element) hesapları yardımıyla, herhangi bir çalışma durumu için bir inverter modülündeki ve soğutucudaki termal dağılım hesaplanabilir. Örneğin hibrid veya elektrikli bir araç hızlandırılırken, diyotlar düşük bir yüke maruz kalırken, güç kayıplarının çoğunluğu IGBT içinde üretilmektedir.

Şekil 4. IGBT ve soğutma ortamı arasındaki zamana bağlı termal direnç

 

Bu nedenle, termal görüntüdeki IGBT yerleri güçlü bir ısı kaynağı olarak görülmektedir. Taban plakalı modüldeki ısı, 3 fazlı yapının merkezinde yoğunlaşmıştır. Yarıiletkenlerin yakın konumlandırılması ve fazlar arası mesafenin kısa olması nedeniyle, IGBT’lerin sıcaklığı bu noktada çok yüksek olmaktadır.

Bu çalışma durumunda sadece diyotlar orta yüke tabi olmasına rağmen, modülün ortasındaki IGBT’ler diyotların ısınmasına neden olur. İnvertör modülünün kenarlarında diyotların sıcaklığı 15°C daha düşüktür. Taban plakasına rağmen, invertörün kenar bölgelerindeki güç yarı iletkenleri, modülün merkezindekilerden çok daha düşüktür. Orta fazdaki IGBT’lerdeki mutlak termal yük dıştakilere göre yaklaşık 10°C daha yüksektir. IGBT sıcaklığının maksimum ve minimum değerleri arasındaki fark 20°C’den fazladır. Merkezdeki faz, inverter modülünün kullanılabilir elektrik gücünü sınırlar. Bunun iki sonucu vardır: bir yandan, soğutma koşulları ve yük öyle seçilmeli ki merkezdeki DCB’deki sıcaklık çok yüksek olmamalı; diğer taraftan sıcaklık-etkili-hasar mekanizmaları merkez fazda daha yüksek etkiye sahiptir. Bu da şu demektir; invertör güç devre tasarımı yapan mühendisin, her zaman merkezdeki fazın sıcaklık faktörünü hesaba katması gerekir.

 

Şekil 5

 

Taban plakasız SKiM modüllerinde ısı dağılımı çok daha homojendir,: yine burada da IGBT’ler en etkin ısı kaynağı olarak görülmektedir. Ancak, ısı kayıpları birçok yere dağıldığından ve DBC’ler arasındaki mesafe daha fazla olduğundan, ısı dağıtımı için daha fazla alan bulunmaktadır. Kayıplar etkin bir şekilde atılabildiğinden, IGBT ve diyot arasındaki ısıtma azalmaktadır. Optimum ısı dağılımı, farklı fazlardaki yük dağılımının homojen olmasını sağlanmaktadır: güç invertörünün üç fazı arasındaki IGBT’lerin ve diyotların sıcaklığı homojendir ve üç fazdaki IGBT’lerin ortalama sıcaklığı hemen hemen aynıdır. IGBT’ler arasındaki maksimum sıcaklık farkı en fazla 10°C’dir.

Yük eşit olarak dağıtılır ve mevcut soğutma imkanının optimum kullanılmasını sağlar, böylece genel sistem tasarımı kolaylaşır. Buna ek olarak, DBC seramik yüzey üzerindeki sıcaklık sensörleri her bir fazın ayrı ayrı değerlendirilmesine olanak vererek çalışma sıcaklıkları için ek bir kontrol imkanı sağlar.

 

Sıcaklık ve servis ömrü

Çalışan invertördeki termal yüklemeler için, zamana bağlı yükler dikkate alınmalıdır. Hibrid veya elektrikli aracın çalışması esnasında, çeşitli yük durumları oluşur: aracın hızlanması sırasında IGBT’ler özellikle yüksek yük altındadır, yavaşlama sırasında da enerjinin geri kazanılması durumudur ve elektrik motoru pili yeniden şarj eder. Bu durumda diyotlar büyük bir yük altındadır. İnvertör modülünün zamana bağlı ısınması tanımlamak için, güç modülünün 0.1s – 30s süresindeki yük çevrimleri için davranışlarının da araştırılması gerekir. Yük darbeleri süresince her iki konfigürasyon için IGBT’lerin zamana bağlı termal direnci artar (Şekil 4). Isı akışı, güç yarı iletkenlerinden soğutucu yönüne doğru yayılmaya başlayarak bütün modülün ısınmasına neden olur. Eğer yük darbeleri 30s daha uzun olursa, modül tamamen ısınır ve termal direncin artışı sona erer.

Zamana bağlı termal direnç değerleri artık, çalışma esnasında yarı iletken anahtarlar üzerinde termal yükün etkisini hesaplamak için kullanılabilir. Bunu yapmak için, gerçek uygulamada oluşabilen yük çevrimleri kullanılarak, yük darbe süreleri boyunca tipik yük durumlarının simülasyonu yapılabilir. Hibrit bir aracın yük döngüsünü örnek alalım.

Şekil 6. Güç modüllerinin yük döngüsü için ömür döngüsü eğrisi. Homojen ısı dağılımı şarttır. 10°C lik sıcaklık artışı yük döngü sayısını 3 kat azaltmakta; 20°C lik artış hizmet ömrünü 6 kat azaltır

İlk başlangıç ve hızlanma aşamalarında enerji pilden alınır ve elektrik motoru beslenir. Hızlanma aşamasında güç çıkışı 60 kW’a kadar ulaşır. İnvertör çıkış gücüne bağlı olarak IGBTlerin sıcaklığı 95°C’ye kadar çıkar. Sabit hız durumunda çok az inverter gücü gerekir ve yarıiletkenlerin sıcaklığı tekrar düşer. Yavaşlama sırasında amaç, mümkün olduğunca fazla enerjiyi geri alabilmek ve pile geri depolamaktır. Burada IGBT lerin ve diyotların güç kaybı aşağı yukarı aynı olmasına rağmen harcanan ısı yüksektir ve IGBT lerin sıcaklığı 110°C’ye kadar ulaşır.

IGBT’lerin sıcaklığının maksimum yükselmesi ¢T=40°C’dir. Modül servis ömrü açısından, 6 milyon yük döngüsü eşdeğerindedir (Şekil. 6). İnvertör servis ömrü ve tasarımı için homojen ısı dağılımının ne kadar önemli olduğu; sadece 10°C lik bir sıcaklık artışında (¢T=50°C), mümkün olan yük döngü sayısını 3 kat azaltarak 2 milyon döngüye düşmesiyle görülebilir. Hizmet ömrü tasarımını basitleştirmek ve yarıiletkenlerden optimum şekilde faydalanmak için, kayıpların homojen dağılımı şarttır.

 

Sonuç

Sonuçta, taban plakasız sinterli modüller, hibrid ve elektrikli araçların güvenilirliğini arttırmak için bir takım olanaklar sunmaktadır. Taban plakasındaki lehimli bağlantıların ve genişlemenin dezavantajları ortadan kaldırılmıştır. Optimize edilmiş yerleşim, çalışma sırasında güç yarı iletkenleri üzerinde büyük ölçüde homojen sıcaklık dağılımı sağlar. Servis ömrü beklentisi hesaplamalarda, her 3-faz eşit şartlarda ele alındığında, invertör tasarımını kolaylaştırabileceği anlamına gelmektedir. İnvertörün güvenilirliği, önemli aktif ve pasif sıcaklık dalgalanmaları altında bile arttığı açıkça görülmektedir. Taban plakasız sinterli modüller elektrikli araç sürücülerinde veya yarış arabaları gibi zorlu birçok uygulamada kullanılmıştır.otomasyon dergisi eylül sayısından alıntıdır.