汽車級IGBT在混合動力車中的設計應用

針對汽車功率模塊需求，英飛凌通過增強IGBT的功率循環和溫度循環特性，并增加IGBT結構強度，大大提高了IGBT的壽命預期。





混合動力車輛中功率半導體模塊的要求

工作環境惡劣(高溫、振動)

IGBT位于逆變器中，需要在高環境溫度及機械沖擊下，按照特定的汽車驅動工況，為混合系統的電機提供能量。

根據不同車輛設計，逆變器可能放置在汽車尾箱、變速箱內或引擎蓋下靠近內燃機的位置，因此IGBT模塊要經受嚴峻的溫度(-40℃～150℃)和機械條件(振動、沖擊)的考驗。

IGBT模塊通常采用發動機冷卻液冷卻，環境溫度在極限情況下可達Ta=105℃，對功率模塊的功率密度及散熱設計提出了更高的要求。

復雜的驅動工況

不同于工業應用中電機拖動，混合動力車輛驅動工況更復雜，例如對應城市工況，需要頻繁切換于加速、減速、巡航各個狀態，因此通過IGBT的電流、電壓并非常量，而是隨車輛工況反復循環波動，IGBT模塊需要在電流、電壓循環沖擊下可靠運行。

高可靠性要求

IGBT功率模塊失效將會導致車輛立刻失去動力，嚴重影響整車廠商信譽和用戶使用體驗。

汽車生產廠家需要IGBT模塊在HEV全壽命周期中無需更換，對IGBT的耐久性提出了更高要求(汽車整車設計壽命15年)。

成本控制要求

大規模生產的汽車不同于列車牽引應用，在性能要求很高的條件下，不能通過增加成本的方法換取可靠性，需要在成本和性能上達到平衡，對產品的設計提出了更高的要求。因此，針對汽車應用中各種限制條件，需要專用IGBT才能滿足苛刻的應用需求。

IGBT結構

圖3顯示了帶基板的功率模塊的結構。兩側都帶薄銅層的陶瓷襯底被焊接在基板上。IGBT芯片被焊在設計好的銅層上。芯片的表面通過綁定線(bonding wire)壓焊到銅層上。大多數標準模塊采用這種制作方法。目前70%到80%的功率模塊都按照標準模塊結構來制造。陶瓷一般采用Al2O3，基板采用銅為材料。IGBT底板通過導熱硅脂安裝散熱器。



英飛凌汽車級IGBT可靠性改進

可靠性是IGBT應用于汽車中的最大挑戰，除了電壓、電流等常規參數的設計考慮，涉及IGBT可靠性的主要參數有：溫度循環次數(thermal cycling)和功率循環次數(power cycling)，決定了IGBT的使用壽命，其他參數例如IGBT機械可靠性特性也需要額外的關注。

功率循環

通常，逆變器設計主要考慮IGBT Tjmax(最高結溫)的限制，但在混合動力車應用中，逆變器較少處于恒定工況，加速、巡航、減速都會帶來電流、電壓的改變，由此帶來的ΔTj(結溫快速變化)將會更大程度影響IGBT的壽命，IGBT導通電流波動時，綁定線也會隨之擺動，對綁定線和IGBT芯片連接可靠性有較大的影響，反復的擺動可能導致綁定線壽命的耗盡(EOL， End of Life)，例如綁定線和IGBT芯片焊接脫落、綁定線斷裂等，直接導致IGBT的損壞。



為了模擬汽車運行工況，針對HEV頻繁的加速、減速、巡航帶來的電流沖擊，英飛凌定義了“秒級功率循環試驗”(power cycling second，電流加熱，外部水冷冷卻)，通過加速老化試驗，模擬電氣沖擊下綁定線的焊接可靠性，英飛凌汽車級IGBT需要承受ΔTj=60k，最大節溫150℃，0.5s < tcycl<5s，150kc次功率循環而不損壞。

相對于傳統工業應用，混合動力車(HEV)中的IGBT工作環境惡劣，因而對IGBT長期使用的可靠性提出了更高的要求。

相對傳統工業模塊主要有以下幾點改進：

● 綁定線材料改進;

● 芯片結構加強;

● 綁定線連接回路優化;

● 優化后的焊接工藝。

溫度循環

逆變器在HEV中，通常位于前艙靠近發動機或位于傳動機構附近，IGBT模塊將承受較高的環境溫度和溫度變化，對IGBT模塊內部焊接層有較大影響。



IGBT模塊由多層不同材料組成(見圖3)，每種材料具有不同的CTE(熱膨脹系數)，CTE的差別會影響功率模塊的使用壽命，當模塊使用時，溫度的變化會在不同層間產生機械應力而導致焊接脫落，我們的目標是選用熱膨脹系數差別盡可能小的材料來進行焊接組合。但另一方面，即使它們的熱膨脹系數十分匹配，因為材料本身的成本可能會太高，或者在生產過程中難以被加工或加工成本太高。例如列車牽引應用中的AlSiC基板。熱膨脹系數和襯底幾乎相同，因此有更好的熱循環特性。但對混合動力車應用因成本過高而很難被接受。

英飛凌通過改進后的Al2O3陶瓷基片技術，在不大幅度增加成本的前提下，同樣可以達到混合動力汽車中熱循環次數的要求。

通常IGBT模塊通過被動溫度循環(Thermal Cycling)加速測試焊接可靠性，對于汽車級IGBT，英飛凌定義更嚴酷的熱沖擊試驗(TST，Thermal Shock Test)，相對TC試驗有更大的溫度變化范圍，-40℃～+125℃，1000次循環(普通工業模塊TST只需50次)。



按照英飛凌計算方式，汽車級IGBT模塊壽命為工業級2.5倍，為牽引級1/4，可滿足汽車全壽命使用無需更換模塊要求，又很好地平衡了成本。

機械結構的加強

除了對上述IGBT內部封裝工藝的改進，英飛凌汽車級IGBT還對IGBT外殼和接線端子進行了增強，包括溫度特性和機械結構特性的加強，以應對汽車嚴酷的應用環境，例如以下幾個方面。

(1)溫度特性加強。相較通常工業應用，汽車內IGBT需要承受較高的溫度沖擊，如果IGBT的外殼材料不夠堅固，將會在溫度沖擊下斷裂損壞，英飛凌汽車級IGBT需在熱沖擊試驗-40℃～+125℃ 1000次下完好無損。通過塑料材料和優化的工藝參數，改進后的IGBT外殼可靠性大大增強。

(2)結構特性加強。在HEV中，IGBT震動大大超過普通工業模塊，外殼和端子將承受較大的機械沖擊，英飛凌汽車級IGBT可以承受超過5g的機械振動和超過30g的機械沖擊。

英飛凌汽車級IGBT產品

為滿足汽車級應用，英飛凌對推出HEV專用的IGBT模塊，包括2款產品：

● HybridPACK1—400A/650V IGBT 6單元，針對電機功率20kW~30kW左右的輕度混合動力汽車;

● HybridPACK2—800A/650V IGBT 6單元，針對電機功率80kW左右的的全混合動力車。

主要的產品特點：

● 6單元IGBT簡化逆變器設計;

● 工作結溫為150℃，最大節溫175℃;

● IGBT技術;

● 改進后的綁定線工藝;

● 改進后的陶瓷基片增加焊接可靠性;

● 6 NTC;

● 改進后的綁定線工藝;

● 改進后的陶瓷基片增加焊接可靠性;

● 直接水冷系統，提升模塊散熱能力。

結論

隨著功率器件在汽車中越來越多地應用，對可靠性提出了更高的要求， 例如本文描述的功率循環和溫度循環特性。針對汽車應用，英飛凌推出的汽車級IGBT模塊具有高可靠性、長壽命、適中成本的特點，只有在混合動力汽車應用需要專用的功率半導體模塊，才能保證核心零部件的可靠性，直接關系著混合動力車的成功與否。

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