浅谈汽车发动机电子水泵作用及其失效
摘要:本文阐述电子水泵主要用于降油耗。目前行业内电子水泵功率主要分布在400~600W范围,而国内电子水泵发展要落后于国外,而且在开发过程中失效情况较多。目前电子水泵的失效主要集中在电子水泵控制器上电子元件失效,其中MOSFET失效占主要部分。通过对实际应用过程中MOSFET失效案例进行分析,提出解决的方案。
关键词:电子水泵;失效;MOSFET
随着国家排放法规越来越严格以及降油耗要求,车企越来越多地向混动或纯电动汽车发展。而对于传统燃油汽车,主机厂越来越多地应用先进技术以减少排放和减低油耗。电子水泵逐渐被各主机厂广泛应用,其作为发动机及整车热管理的重要组成部分,发挥了重要作用。
1 电子水泵作用
水泵作为发动机冷却系统的重要零部件,为冷却系统各零部件输送冷却液,将发动机以及各发热零件的热量散出,防止发动机各零部件过热失效。而电子水泵通过ECM控制,可以根据需求提供冷却液,在冷机时不运转或低速运转实现快速热机,在发动机大负荷时可以高速运转维持发动机在最优温度范围内工作,以达到快速暖机、降低油耗的作用。
2 电子水泵发展情况
目前,国产汽车品牌中使用电子水泵并且已经达到量产的并不多。市场上已量产的大功率电子水泵厂家大多是外资企业研发,主要是因为外资或合资汽车品牌在电子水泵的应用上领先于国内;另外也受制于国内电子水泵行业发展比较缓慢,许多工艺及关键技术还不成熟。但是近年来,受到国家排放和油耗法规越来越严格的影响,国内电子水泵行业发展迅速,许多传统机械水泵的企业开始研发电子水泵。
对传统燃油发动机来说,在12V电系统下,电子水泵要达到机械水泵的功率比较困难,因为电流会很大,对控制器设计是一个很大的考验。电子水泵功率等级受发动机设计的影响,目前主流的电子水泵功率为400~450W,部分会达到600W,主要用于增压发动机;而日系的自然吸气发动机,例如本田、丰田等,使用的电子水泵功率为160~200W。
虽然近年来,国内电子水泵行业发展迅速,通过开发小功率电子水泵积累了一定的经验,但是对于大功率电子水泵,因为应用环境更复杂和苛刻、控制逻辑更复杂,且受技术和经验的缺乏限制,开发过程中失效情况较多。其中,MOSFET失效是较多且严重的一种失效。
本文针对发动机电子水泵开发过程中出现的失效案例,对失效机理进行分析,并提供相应的整改措施。
3 电子水泵MOSFET失效模式
MOSFET是电子水泵控制器集成电路上的重要元件。MOSFET的开关控制电机三相的导通和关断,通过调节占空比,即可调节水泵转速。当MOSFET失效后,电机会出现缺相而导致转速不稳,甚至直接导致电机不工作,发动机失去冷却而损坏。从宏观上分析,电子水泵失效主要有以下失效模式。
3.1 散热不良导致失效
MOSFET工作时会产生大量的热量,如果散热不及时,温度超过MOSFET的结温,则MOSFET将会被烧毁。PCB板上按照电路的设计集成各种电子元器件(包括MOSFET)构成了控制器,因此对MOSFET散热即对控制器散热。通过研究目前主流电子水泵散热方式,有以下3种。
1)在铝壳体和控制器之间涂散热硅胶或贴散热硅胶垫。
2)使用陶瓷电路板。
3)在铝壳体和控制器之间用增加除散热硅胶以外的高导热材料,例如陶瓷板。
涂散热硅胶或贴散热硅胶垫因成本低、工艺简单是最常用的设计,在散热满足的前提下,优先选用此方法。但是如果工艺或者胶品选择不当,仍然会导致控制器过热失效。某电子水泵在开发过程中,由于工艺不合理,散热胶出现空化现象(图1),导致MOFET过热失效。
图1 散热胶空化现象
陶瓷电路板是目前比较先进的一种电路集成方式,但是由于成本高、国内技术成熟度低,并未广泛应用。陶瓷的导热系数高,将电路集成在陶瓷基板上,能有效提高控制器散热能力,防止MOSFET过热失效。在控制器和壳体之间增加除散热硅胶以外的高导热材料是介于1)和2)之间的一种散热方案。
3.2 静电导致失效
MOSFET为静电敏感元件,如果操作不当,静电会导致MOS-FET直接被击穿而失效,如图2所示,8kV静电放电后,MOSFET晶圆出现裂纹,MOSFET失效。有些情况下,静电并不会导致MOSFET立即失效,但是元件内部已经出现一些隐患,MOSFET的性能劣化或下降,工作一段时间后最终失效。由于这种情况无法立即识别出失效,因此危害更大。
图2 8kV静电放电后MOSFET晶圆出现裂纹
针对静电失效,最主要的是在控制器生产及物流、装配的整个过程中进行静电防护。
3.3 粘接层空洞导致失效
芯片粘接层空洞将增大器件的热阻,影响散热的效果。已有研究表明,MOSFET焊料空洞对器件的热耗散有显著影响,并分析了不同空洞尺寸对器件散热的影响。
某电子水泵在开发过程中出现MOSFET失效问题,排查发现失效MOSFET粘接层空洞达到约30%,如图3所示。而正常的MOSFET空洞率很小,如图4所示。有资料表明,30%粘接层空洞的热阻比无空洞时的热阻高约4倍,产生约25%的结温温升,对器件的可靠性有重大影响。对于半导体器件,结温每升高10℃,寿命降低一半。
图3 空洞大MOSFET
图4 正常MOSFET空洞情况
3.4 MOSFET选型及电路设计不合理导致失效
MOSFET选型是电路设计中的一个重要工作。如果选型不当,MOSFET使用过程中也会产生故障。MOSFET作为开关功率器件,其本身具有开关的阈值。当MOSFET开通阈值过低,由于控制电路中开关过程中的振荡,导致MOSFET出现误开通,使上下桥臂直通。而由于MOSFET开通电阻很小,达到毫欧级别,因此很小的电压将会导致较大的电流通过MOSFET,产生过流故障或者直接过流损坏。、
4 结语
1)电子水泵作用是为了降油耗。
2)目前国内电子水泵发展滞后于国外,但是发展迅速。
3)国内电子水泵失效主要集中在控制器上的MOSFET。
4)从宏观上来看,MOSFET失效原因有散热不良导致失效、静电导致失效、粘接层空洞大导致失效以及MOSFET选型和电路设计不合理导致失效。
作者:张 松, 于 萍, 席洪亮, 云 非, 尹建东, 王瑞平
作者单位:宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司
浙江吉利动力总成有限公司
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