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功率器件在混合动力汽车中的应用

作者:时间:2012-01-17来源:网络收藏
时,要使其能具有期望的可靠性。例如,在某些情况,更高的器件性能会对模块的稳定性产生不良影响。从器件技术的角度讲,某些可工作于高的结温度,但该更高的结温度会在线绑定接口产生更高温度,从而降低模块功率周期的稳定性。因此,需建立一整套全面的器件和封装技术规范来优化性能、可靠性和成本。

  混合车用功率半导体模块

  应用需要功率模块具有高电流密度,这也就意味着每单位电流容量具有更小的体积。器件越小,包纳其于其内的底层也就越小,结果就得到一个模块虽小但功率密度更高的模块。图2显示的是英飞凌预期的1200V器件体积的减小情况。显然,与NPT器件相比,FieldStop器件显著缩小了体积。

  功率器件在混合动力汽车中的应用

  封装设计和互连技术对模块的寄生感应产生很大影响,它们也可被用来改进功率密度。另外,选择的材料也会对性能和可靠性产生影响。例如,氮化硅底层的成本比氧化铝底层的成本高很多,但前者的热性能明显好于后者。同样,昂贵的铝硅碳化物基板也比便宜的铜基板具有高得多的热循环可靠性。

  当为HEV设计功率模块时,需在设计开始就明确关键的障碍。需采用恰当的器件技术、底层布局和封装技术以满足性能、可靠性和成本目标。表1显示了三种模块在性能和可靠性方面的对比,它们分别是:用于工业可变速驱动的标准半桥62mm模块、用于轻度混合的六单元(six-pack)HybridPACK1模块(图3)和用于全混合的六单元(six-pack)HybridPACK2模块。

  功率器件在混合动力汽车中的应用

  在全部三种模块内,都采用了相同的600V沟道FieldStop器件技术,但采用的封装技术不同。62mm和 HybridPACK1模块实现的器件电流是400A(每开关各有两个200A IGBT和两个200A二极管),而HybridPACK2模块的电流是800A(每开关各有四个200A IGBT和四个200A二极管)。用于62 mm、HybridPACK1和HybridPACK2模块功率和信号热连接的封装技术分别采用的是:焊接、线绑定和超声波焊接。通过布局改良及采用线绑定的功率和信号热连接,HybridPACK1模块的功率密度已比62mm模块提升了50%。虽然寄生感应增加了50%,但对600V器件来说,这并非一个主要问题,因为在轻度混合应用中最坏的系统电压情况在200V以下。

  功率器件在混合动力汽车中的应用

  通过创新的超声波焊接工艺和改进的布局,HybridPACK2模块的功率密度增加了120%以上。多个线连接及为了移动绑定工具分配的空间使线绑定热连接在封装内很占空间;超声波焊接则省去了该空间且速度也比线绑定工艺快。另外,线绑定的电流输送能力有限。因厚的铜终端在超声波焊接时与底层融固在一起,所以,超声波焊接的电流载运能力不受限制。更紧凑的封装还显著降低了HybridPACK2封装的自感。对全混合应用来说,因系统电压会高于400V,且大电流会产生很大的dI/dt,所以低的寄生感应很重要。

  模块的热阻抗主要取决于每开关所占的芯片面积、模块的材料堆叠及底层布局。材料堆叠特性直接影响模块的热阻抗,而布局则增加了交叉传导部分。在62mm和HybridPACK1模块中,采用了平的铜基层,而HybridPACK2则采用集成的针翅管(pin-finned)铜基层。对带有平基层的模块来说,需将导热脂和散热层的热阻抗加起来以得到“从结到环境”的热阻抗。借助拿掉了导热脂层并直接将底层与针翅管基板焊接在一起,从而显著改善了HybridPACK2模块的热阻抗表现。

  模块内临近材料的热扩展不匹配将使连接部位产生压力形变并最终导致故障。最大的压力产生在铜基板上为与底层焊接在一起所涂覆的焊料点上。为加强可靠性,模块制造商传统上采用氮化铝底层与铝硅碳化物基板的组合,此举显著增加了成本。为替代昂贵的铝硅碳化物,英飞凌开发出采用铜基板和改进的氧化铝底层的HybridPACK1和HybridPACK2模块。这种材料组合可满足可靠性目标要求,但成本却降低了很多。汽车的可靠性目标是从-40 °C到125 °C的1000次循环。

  结论

  功率模块的性能、可靠性和成本是HEV市场增长的主要驱动器。为降低成本,需降低功率模块内器件的功率密度和结温度。英飞凌的沟道FieldStop IGBT和EmCon就是在增加结温度的同时可降低导通和开关损耗的这样一类器件。通过采用高效的和超声波焊接技术可显著改进模块的功率密度;同样,采用集成的针翅管基层可改进热性能。改进的氧化铝底层和铜基板方法能以低成本为HybridPACK模块提供最优异的可靠性。对全混合应用来说,HybridPACK2是一款优异的模块,它提供了高功率密度、低自感、低热阻及最佳可靠性和最低成本。

  作者:Sayeed Ahmed,HEV产品营销经理,是英飞凌科技有限公司

  REFERENCES

  1.McKinsey Company, “Drive — The future of Automotive Power,” 2006.

  2.R. Amro et al, “Power Cycling at High Temperature Swings of Modules with Low Temperature Joining Technique,” ISPSD 2006, Naples.

  3.T. Laska et al, “The Field Stop IGBT (FS IGBT) — A New Power Device Concept with a Great Improvement Potential,” Proceedings of the 12th ISPSD, pp.355-358, 2000.

  4.P. Kanschat et al, “600V IGBT3: A Detailed Analysis of Outstanding Static and Dynamic Properties,” Proc. PCIM Europe, pp. 436-441, 2004.

  5.A. Kawahashi et al, “A New-Generation Hybrid Electric Vehicle and its Supporting Power Semiconductor Devices,” Proceedings of 16th ISPSD, pp. 23-29, 2004.


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关键词: 功率器件 混合动力 汽车电子
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