汽车级IGBT在混合动力车中的实现

 

　　IGBT（绝缘栅双极晶体管）是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件，既具有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。IGBT模块是由一个或多个IGBT芯片分别装在绝缘的衬底上，该衬底被固定在散热用的铜基板上。为便于系统组装，且保持模块内外的引线电感，模块中还安装有续流二极管。IGBT主要应用领域包括工业控制、消费电子产品、计算机和网络通信领域等，电动汽车是IGBT的新兴应用领域，对IGBT有新的要求。国外发展情况传统IGBT生产厂家主要集中在欧、美、日。其中，英飞凌、富士电机、三菱电机、西门康等企业专门针对车用IGBT展开研究并成功推出产品，能满足电动汽车需求，并在电动汽车上得到较为广泛的应用。

　　混合动力车辆中功率半导体模块的要求

　　工作环境恶劣（高温、振动）

　　IGBT位于逆变器中，需要在高环境温度及机械冲击下，按照特定的汽车驱动工况，为混合系统的电机提供能量。

　　根据不同车辆设计，逆变器可能放置在汽车尾箱、变速箱内或引擎盖下靠近内燃机的位置，因此IGBT模块要经受严峻的温度（-40℃~150℃）和机械条件（振动、冲击）的考验。

　　IGBT模块通常采用发动机冷却液冷却，环境温度在极限情况下可达Ta=105℃，对功率模块的功率密度及散热设计提出了更高的要求。

　　复杂的驱动工况

　　不同于工业应用中电机拖动，混合动力车辆驱动工况更复杂，例如对应城市工况，需要频繁切换于加速、减速、巡航各个状态，因此通过IGBT的电流、电压并非常量，而是随车辆工况反复循环波动，IGBT模块需要在电流、电压循环冲击下可靠运行。

　　高可靠性要求

　　IGBT功率模块失效将会导致车辆立刻失去动力，严重影响整车厂商信誉和用户使用体验。

　　汽车生产厂家需要IGBT模块在HEV全寿命周期中无需更换，对IGBT的耐久性提出了更高要求（汽车整车设计寿命15年）。

　　成本控制要求

　　大规模生产的汽车不同于列车牵引应用，在性能要求很高的条件下，不能通过增加成本的方法换取可靠性，需要在成本和性能上达到平衡，对产品的设计提出了更高的要求。因此，针对汽车应用中各种限制条件，需要专用IGBT才能满足苛刻的应用需求。

　　IGBT结构

　　图3显示了带基板的功率模块的结构。两侧都带薄铜层的陶瓷衬底被焊接在基板上。IGBT芯片被焊在设计好的铜层上。芯片的表面通过绑定线（bondingwire）压焊到铜层上。大多数标准模块采用这种制作方法。目前70%到80%的功率模块都按照标准模块结构来制造。陶瓷一般采用Al2O3,基板采用铜为材料。IGBT底板通过导热硅脂安装散热器。

　　英飞凌汽车级IGBT可靠性改进

　　可靠性是IGBT应用于汽车中的挑战，除了电压、电流等常规参数的设计考虑，涉及IGBT可靠性的主要参数有：温度循环次数（thermalcycling）和功率循环次数（powercycling），决定了IGBT的使用寿命，其他参数例如IGBT机械可靠性特性也需要额外的关注。

　　功率循环

　　逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220v50HZ正弦或方波）。应急电源，一般是把直流电瓶逆变成220V交流的。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等 .简单地说，逆变器就是一种将低压（12或24伏或48伏）直流电转变为220伏交流电的电子设备。因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因此而得名。我们处在一个"移动"的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求。

　　通常，逆变器设计主要考虑IGBTTjmax（结温）的限制，但在混合动力车应用中，逆变器较少处于恒定工况，加速、巡航、减速都会带来电流、电压的改变，由此带来的ΔTj（结温快速变化）将会更大程度影响IGBT的寿命，IGBT导通电流波动时，绑定线也会随之摆动，对绑定线和IGBT芯片连接可靠性有较大的影响，反复的摆动可能导致绑定线寿命的耗尽（EOL,EndofLife），例如绑定线和IGBT芯片焊接脱落、绑定线断裂等，直接导致IGBT的损坏。

　　为了模拟汽车运行工况，针对HEV频繁的加速、减速、巡航带来的电流冲击，英飞凌定义了"秒级功率循环试验"（powercyclingsecond,电流加热，外部水冷冷却），通过加速老化试验，模拟电气冲击下绑定线的焊接可靠性，英飞凌汽车级IGBT需要承受ΔTj=60k,节温150℃，0.5s 相对于传统工业应用，混合动力车（HEV）中的IGBT工作环境恶劣，因而对IGBT长期使用的可靠性提出了更高的要求。

　　相对传统工业模块主要有以下几点改进：

　　●绑定线材料改进；

　　●芯片结构加强；

　　●绑定线连接回路优化；

　　●优化后的焊接工艺。

　　温度循环

　　HEV（Hybrid-Electric Vehicle）-混合动力装置。混合动力就是指汽车使用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式，优点在于车辆启动和停止时，只靠发电机带动，不达到一定速度，发动机就不工作，因此，便能使发动机一直保持在工况状态，动力性好，排放量很低，而且电能的来源都是发动机，只需加油即可。混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。经过十多年的发展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。 混合动力总成以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式等三种。

　　逆变器在HEV中，通常位于前舱靠近发动机或位于传动机构附近，IGBT模块将承受较高的环境温度和温度变化，对IGBT模块内部焊接层有较大影响。

　　IGBT模块由多层不同材料组成（见图3），每种材料具有不同的CTE（热膨胀系数），CTE的差别会影响功率模块的使用寿命，当模块使用时，温度的变化会在不同层间产生机械应力而导致焊接脱落，我们的目标是选用热膨胀系数差别尽可能小的材料来进行焊接组合。但另一方面，即使它们的热膨胀系数十分匹配，因为材料本身的成本可能会太高，或者在生产过程中难以被加工或加工成本太高。例如列车牵引应用中的AlSiC基板。热膨胀系数和衬底几乎相同，因此有更好的热循环特性。但对混合动力车应用因成本过高而很难被接受。

　　英飞凌通过改进后的Al2O3陶瓷基片技术，在不大幅度增加成本的前提下，同样可以达到混合动力汽车中热循环次数的要求。

　　通常IGBT模块通过被动温度循环（ThermalCycling）加速测试焊接可靠性，对于汽车级IGBT,英飞凌定义更严酷的热冲击试验（TST,ThermalShockTest），相对TC试验有更大的温度变化范围，-40℃~+125℃，1000次循环（普通工业模块TST只需50次）。

　　按照英飞凌计算方式，汽车级IGBT模块寿命为工业级2.5倍，为牵引级1/4,可满足汽车全寿命使用无需更换模块要求，又很好地平衡了成本。

　　机械结构的加强

　　除了对上述IGBT内部封装工艺的改进，英飞凌汽车级IGBT还对IGBT外壳和接线端子进行了增强，包括温度特性和机械结构特性的加强，以应对汽车严酷的应用环境，例如以下几个方面。

　　（1）温度特性加强。相较通常工业应用，汽车内IGBT需要承受较高的温度冲击，如果IGBT的外壳材料不够坚固，将会在温度冲击下断裂损坏，英飞凌汽车级IGBT需在热冲击试验-40℃~+125℃1000次下完好无损。通过塑料材料和优化的工艺参数，改进后的IGBT外壳可靠性大大增强。

　　（2）结构特性加强。在HEV中，IGBT震动大大超过普通工业模块，外壳和端子将承受较大的机械冲击，英飞凌汽车级IGBT可以承受超过5g的机械振动和超过30g的机械冲击。

　　英飞凌汽车级IGBT产品

　　为满足汽车级应用，英飞凌对推出HEV专用的IGBT模块，包括2款产品：

　　●HybridPACK1-400A/650VIGBT6单元，针对电机功率20kW~30kW左右的轻度混合动力汽车；

　　●HybridPACK2-800A/650VIGBT6单元，针对电机功率80kW左右的的全混合动力车。

　　主要的产品特点：

　　●6单元IGBT简化逆变器设计；

　　●工作结温为150℃，节温175℃；

　　●IGBT技术；

　　●改进后的绑定线工艺；

　　●改进后的陶瓷基片增加焊接可靠性；

　　●6NTC;

　　●改进后的绑定线工艺；

　　●改进后的陶瓷基片增加焊接可靠性；

　　●直接水冷系统，提升模块散热能力。

　　随着功率器件在汽车中越来越多地应用，对可靠性提出了更高的要求，例如本文描述的功率循环和温度循环特性。针对汽车应用，英飞凌推出的汽车级IGBT模块具有高可靠性、长寿命、适中成本的特点，只有在混合动力汽车应用需要专用的功率半导体模块，才能保证零部件的可靠性，直接关系着混合动力车的成功与否。