如何将新模块设计的所有方面与提供终产品的既定目标相结合。有了这个，它将适合所有要求，以及与现有的 HybridPACK 2 HP2 模块相比，它进行了哪些改进。
本文的重点将放在其中三个技术要求上：降低功率损耗、模块封装和更高的失速电流额定值，成本在所有设计决策中投下了长长的阴影。生成的模块封装如图 1 所示。
HybridPACK Drive，HPDrive 模块封装
图 1：HybridPACK Drive，HPDrive 模块封装
减少损失
在典型的功率转换器中，IGBT 模块是大部分功率损耗的来源。随着能源能力的提高，可以减少损耗。例如，由内燃机 ICE 驱动的电池组或发电机，但它将降低对整个冷却系统（即泵、热交换器等）的要求。所有这些都可以节省车辆的成本和重量。模块中的损耗主要有三个来源：硅传导损耗、硅开关损耗以及铜或 I2R 损耗。
Conduction Losses
对于该模块，开发了一个名为 Electric Drive Train 2， EDT2 的新芯片。新型 EDT2 750V IGBT 芯片具有与上一代 IGBT3 650V 类似的垂直结构，但使用基于 TRENCHSTOP 5 芯片设计的“微图形沟槽”结构进行了改进，台面宽度为亚微米级（见图 2）。这种结构使该器件具有非常低的正向压降 （Vcesat），同时仍保持≈ 5μS 的短路能力（见图 3）。
IGBT3 650V 和 EDT2 电池几何形状的垂直结构
图 2：IGBT3 650V 和 EDT2 电池几何形状的垂直结构
相同尺寸的 IGBT3 和 EDT2 芯片的输出特性
图 3：相同尺寸的 IGBT3 和 EDT2 芯片的输出特性
开关损耗
选择 p 发射极强度作为浪涌电压能力和开关速度之间的折衷方案。除了峰值过压承受水平外，p 发射极还会影响 Eoff 与 Vcesat 的权衡点。阻断电压从 650V 增加到 750V 100V，限度地减少了作为限制因素的过压。结果表明，无需降低开关速度，例如通过使用增加的外部栅极电阻器来保持在 IGBT RBSOA 曲线内。如图 4 所示，与在 440V 总线电压下以增加栅极电阻值工作的 IGBT3 相比，关断损耗降低了 29%。
VDC = 400V 时，IGBT3 和 EDT2 在同一封装中测得的关断损耗比较。
图 4：VDC = 400V 时，IGBT3 和 EDT2 在同一封装中测得的关断损耗比较。
针对 HPDrive 优化的芯片布局
图 5：HPDrive 的优化芯片布局
I2R 损耗
经常被忽视的是，模块内部的 I2R 或铜损耗可能很大，尤其是在高 rms 电流下。这种损耗的三个主要组成部分是主总线端子、直接铜键合 DCB 陶瓷的顶面以及连接到芯片顶部的键合线。在设计 IGBT 芯片时，栅极焊盘位于芯片侧面而不是中心，从而为主发射极电流路径提供更大的铜面积（见图 5）。此外，将芯片的形状调整为更矩形，可以将键合线的数量从 8 增加到 10 个，并且更短，以便连接顶部芯片（见图 5）。总的来说，串联电阻降低了 20%。
HPDrive 封装设计
基本 HPDrive 封装继承了久经考验的 HP2 系列的引脚、翅片和内部材料堆栈。然而，HPDrive 的底板缩小了 36%，重量减轻了 40%，所有这些都降低了成本。它还引入了灵活的控制引脚布局系统，使模块设计人员能够优化控制引脚的布局（见图 1）。这减少了 DBC 上控制连接所需的铜线区域。此外，由于控制引脚未模制到封装中，因此未来的升级（如片上温度或电流感应）可以更轻松地集成到封装中。
PressFit 技术用于信号引脚的连接。与选择性焊接相比，这是一种快速可靠的生产工艺，并且气密连接对腐蚀性环境和振动非常坚固。对于电源片，DC 端子高度交错，以简化与层压 DC 总线的连接，并且可以选择加长的输出端子以适合电流传感器（参见图 6）。由于电流传感器端子与模块控制端子高度相同，因此电流传感器可以直接连接到栅极驱动器 PCB，无需使用额外的电缆和连接器。更小的封装和模块内部布局的优化使电感从 14nH （HP2） 降低到 8nH，降低了 40%。这减少了 IGBT 的电压过冲，从而允许更快的开关速度和/或在更高的直流总线电压下运行。
锁定转子/堵转电流额定值
失速或锁定转子模式（有时称为“hill-hold”）通常是器件硅上温度应力的点，因为电流可以在正弦波电流波形的峰值处流入单个器件。因此，拐角工作点可以设置功率模块电流能力的限制。新型 EDT2 芯片能够在 175°C 下短时间（不到 10 秒）运行，以满足失速条件要求。表 1 比较了 HPDrive 和 HP2 在失速时的运行情况，表明 300mm2 的 EDT2 芯片可以匹配 400mm2 IGBT3 芯片的失速电流额定值。
HPDrive 和 HP2 模块在 2kHz、400Vdc 总线、500Arms、707A 峰值、80C 冷却剂和 50% 占空比下的比较
表 1：HPDrive 和 HP2 模块在 2kHz、400Vdc 总线、500Arms、707A 峰值、80C 冷却剂和 50% 占空比下的比较
然而，结温并不是的限制因素，而是模块寿命。这是由于温度循环效应，这也是一个关键的设计标准。为了减轻高 ΔT 事件的影响，芯片焊接系统已得到改进，使功率循环秒能力提高了 40%，例如，在芯片的 ΔT 为 100K 时，可进行 60.000 次循环。
两种不同的模块设计路径
新型低损耗、高额定温度的 IGBT 和 Diode EDT2 芯片组的开发提供了两种不同的模块设计路径。种设计是更小、更轻的模块，具有与现有 HP2 模块相似的输出电流能力。同时，新封装可以结合一些技术优势，例如较低的电感和压接控制信号引脚。这是 HPDrive 选择的设计路径。第二种设计路径是将 EDT2 芯片集成到现有的 HP2 封装中，这允许将额定电流从 800A 增加到 1100A。有了这个，客户可以选择增加电流和电压额定值，或者在更小、更低成本的封装中保持相同的性能。此外，新的 HPDrive 模块将有两种类型：额定电流为 820A 的针鳍基板或额定电流为 660A 的平面基板。这些新的评级将扩展 HybridPACK 系列，并补充英飞凌广泛的汽车和 CAV 级功率模块系列，例如专为车辆牵引驱动而设计的 EconoDUAL 3 或 PrimePACK。
