提高集成功率的电力系统

汽车系统特别是传动系统的电气化之所以能够不断推进，背后的基础是高级电力电子集成技术的发展。早期的设计都采用分离、独立的功能单一的元器件，例如早期用于发动机微处理器控制线圈、继电器和燃油注入都采用分离器件。随着集成水平的提高，这些执行器驱动元件首先集成为多芯片模块（DIP封装），随后又出现了功能集成模块。对于交流电机驱动而言，这一变化趋势也是相同的，只是进步较慢。由于汽车应用中，在追求高品质、长寿命和高性能的同时更追求低成本，所以高集成度称为必然趋势。高集成度通过更好的热量管理和方便的封装形式，使系统的可靠性和性能都有所提升。目前，人们不光考虑电力电子器件、门极驱动以及传感器的集成，同时也在进行驱动前级和控制级的集成。智能功率器件是汽车电子器件集成的发展趋势。

从器件的工作环境分，汽车可以分为5个区域（至少是3个），分别是发动机舱、底盘、外部、内部和行李箱。每个区域都构成一个独立的环境，每一个环境中的温度变化、湿度、暴露于汽车油气的程度、盐雾情况、浸水及溅水程度、灰沙情况、高度、振动和冲击、电气瞬态、电磁干扰和静电放电各不相同。在汽车环境中，电磁干扰（EMI）是比较普遍的，这是因为干扰源和敏感模块比较接近，线束开放且几乎无屏蔽。静电放电是线束和模块端子暴露且接触几千伏的电势时的主要问题，这样的高压很可能在车主或维修人员和织物座椅摩擦后再接触到汽车的金属部分产生。汽车中所有的电子模块都必需是防静电的，安装在发动机舱的模块必需能够承受其暴露的端子和火花线可能产生的电弧。

电子器件在汽车中最差的安装位置是发动机舱和发动机及传动系上，如图4-50所示。事实上，同时存在高温和振动的场合对所有工业都是最麻烦的。图4-51给出了汽车中电子器件，包括电力电子器件集成技术的发展过程，集成的最终目标是控制电子和执行器的集成，对外只留下电力和通信接口。在某些场合下，这一目标已经实现，例如集成电子油门控制已经将通信、控制和电力驱动器一起集成到了发动机油门上，这一产品目前已开始生产。

图4-50 汽车环境条件(www.xing528.com)

图4-51 汽车电子集成技术的进展

如果不提存在振动情况下，由于热冲击和热循环导致的耐久性问题，则对汽车电子集成技术进行讨论是不完整的。热冲击是指温度循环测试，测试中，温度的变化率要大于或等于10℃/min。热循环测试则要求温度变化率一般小于5℃/min。热冲击造成的主要损害包括电路板开裂、陶瓷基片开裂以及内联系统损坏。如果模块工作于间歇低温的场合，受热冲击破坏最为严重。汽车系统中，芯片在低温且散热器热容量较小情况下，通过其的电能将带来很大的温度变化，进而对芯片造成过大的机械应力，这往往会导致材料疲劳进而导致彻底损坏。因此，安装在发动机舱的电子器件一般紧贴在进气歧管上，这时因为进气歧管的热容量很大，其温度变化由于发动机冷却液的存在而变化很小。温度循环范围和变化速率对集成器件和模块破坏最大。

热循环实验一般在两个极端温度之间进行，即-40～＋140℃，温度从一个极限变化到另外一个极限的时间是15min，然后维持在极限温度15min。热循环可用于评价集成器件的耐久性。从陶瓷基片到芯片散热再到硅片本身，热膨胀系数的不匹配，会导致集成器件由于机械力而扭曲变形。热循环会导致扭曲变形累计，最终导致应力疲劳损坏。焊接内联以及芯片粘贴方法上的疲劳损坏，主要和停留在极限温度从而导致蠕变的时间有关，这是因为在给定温度下应变能随时间的增长而增长。在温度的斜坡变化过程中，塑性变化明显，这时因为温度的变化率对变形的积累影响很大。由于温度循环导致的塑性和蠕变和循环关系很大，所以做温度循环实验时，最好能真实反映模块将要使用的环境的真实情况。