汽車級IGBT在混合動(dòng)力車中的應(yīng)用

1、汽車級IGBT在混合動(dòng)力車中的應(yīng)用相對于傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用，混合動(dòng)力車(HEV)中的IGBT工作環(huán)境惡劣，因而對IGBT長期使用的可靠性提出了更高的要求。針對汽車功率模塊需求，英飛凌通過增強(qiáng)IGBT的功率循環(huán)和溫度循環(huán)特性，并增加IGBT結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，大大提高了IGBT的壽命預(yù)期。 混合動(dòng)力車輛中功率半導(dǎo)體模塊的要求 工作環(huán)境惡劣(高溫、振動(dòng)) IGBT位于逆變器中，需要在高環(huán)境溫度及機(jī)械沖擊下，按照特定的汽車驅(qū)動(dòng)工況，為混合系統(tǒng)的電機(jī)提供能量。 根據(jù)不同車輛設(shè)計(jì)，逆變器可能放置在汽車尾箱、變速箱內(nèi)或引擎蓋下靠近內(nèi)燃機(jī)的位置，因此IGBT模塊要經(jīng)受嚴(yán)峻的溫度(-40150)和機(jī)械條件(振動(dòng)、沖擊)的考驗(yàn)

2、。 IGBT模塊通常采用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液冷卻，環(huán)境溫度在極限情況下可達(dá)Ta=105，對功率模塊的功率密度及散熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求。 復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)工況 不同于工業(yè)應(yīng)用中電機(jī)拖動(dòng)，混合動(dòng)力車輛驅(qū)動(dòng)工況更復(fù)雜，例如對應(yīng)城市工況，需要頻繁切換于加速、減速、巡航各個(gè)狀態(tài)，因此通過IGBT的電流、電壓并非常量，而是隨車輛工況反復(fù)循環(huán)波動(dòng)，IGBT模塊需要在電流、電壓循環(huán)沖擊下可靠運(yùn)行。 高可靠性要求 IGBT功率模塊失效將會(huì)導(dǎo)致車輛立刻失去動(dòng)力，嚴(yán)重影響整車廠商信譽(yù)和用戶使用體驗(yàn)。 汽車生產(chǎn)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(shè)計(jì)壽命15年)。 成本控制

3、要求 大規(guī)模生產(chǎn)的汽車不同于列車牽引應(yīng)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(dá)到平衡，對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此，針對汽車應(yīng)用中各種限制條件，需要專用IGBT才能滿足苛刻的應(yīng)用需求。 IGBT結(jié)構(gòu) 圖3顯示了帶基板的功率模塊的結(jié)構(gòu)。兩側(cè)都帶薄銅層的陶瓷襯底被焊接在基板上。IGBT芯片被焊在設(shè)計(jì)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)模塊采用這種制作方法。目前70到80的功率模塊都按照標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)來制造。陶瓷一般采用A1203，基板采用銅為材料。IGBT底板通過導(dǎo)熱硅脂安裝散熱器。 英飛凌汽車級IGBT

4、可靠性改進(jìn) 可靠性是IGBT應(yīng)用于汽車中的最大挑戰(zhàn)，除了電壓、電流等常規(guī)參數(shù)的設(shè)計(jì)考慮，涉及IGBT可靠性的主要參數(shù)有：溫度循環(huán)次數(shù)(thermalcycling)和功率循環(huán)次數(shù)(power cycling)，決定了IGBT的使用壽命，其他參數(shù)例如IGBT機(jī)械可靠性特性也需要額外的關(guān)注。 功率循環(huán) 通常，逆變器設(shè)計(jì)主要考慮IGBT Timax(最高結(jié)溫)的限制，但在混合動(dòng)力車應(yīng)用中，逆變器較少處于恒定工況，加速、巡航、減速都會(huì)帶來電流、電壓的改變，由此帶來的Tj(結(jié)溫快速變化)將會(huì)更大程度影響IGBT的壽命，IGBT導(dǎo)通電流波動(dòng)時(shí)，綁定線也會(huì)隨之?dāng)[動(dòng)，對綁定線和IGBT芯片連接可靠性有較大的影

5、響，反復(fù)的擺動(dòng)可能導(dǎo)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(dǎo)致IGBT的損壞。 為了模擬汽車運(yùn)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(huán)試驗(yàn)”(Power cycling second，電流加熱，外部水冷冷卻)，通過加速老化試驗(yàn)，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Tj=60k，最大節(jié)溫150，0.Sstcycl相對傳統(tǒng)工業(yè)模塊主要有以下幾點(diǎn)改進(jìn)： 綁定線材料改進(jìn)： 芯片結(jié)構(gòu)加強(qiáng)： 綁定線連接回略優(yōu)化： 優(yōu)化后的焊接工藝。 溫度循環(huán) 逆變器在HEV中，通常位于前

6、艙靠近發(fā)動(dòng)機(jī)或位于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)附近，IGBT模塊將承受較高的環(huán)境溫度和溫度變化，對IGBT模塊內(nèi)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(shù))，CTE的差別會(huì)影響功率模塊的使用壽命，當(dāng)模塊使用時(shí)，溫度的變化會(huì)在不同層間產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力而導(dǎo)致焊接脫落，我們的目標(biāo)是選用熱膨脹系數(shù)差別盡可能小的材料來進(jìn)行焊接組合。但另一方面，即使它們的熱膨脹系數(shù)十分匹配，因?yàn)椴牧媳旧淼某杀究赡軙?huì)太高，或者在生產(chǎn)過程中難以被加工或加工成本太高。例如列車牽引應(yīng)用中的AlSic基板。熱膨脹系數(shù)和襯底幾乎相同，因此有更好的熱循環(huán)特性。但對混合動(dòng)力車應(yīng)用因成本過高而很難被接受。

7、 英飛凌通過改進(jìn)后的Al2O3陶瓷基片技術(shù)，在不大幅度增加成本的前提下，同樣可以達(dá)到混合動(dòng)力汽車中熱循環(huán)次數(shù)的要求。 通常IGBT模塊通過被動(dòng)溫度循環(huán)(Thermal cycling)加速測試焊接可靠性，對于汽車級IGBT，英飛凌定義更嚴(yán)酷的熱沖擊試驗(yàn)(TST，Thermal Shock Test)，相對TC試驗(yàn)有更大的溫度變化范圍，-40c 125c，1000次循環(huán)(普通工業(yè)模塊TST只需s0次)。 按照英飛凌計(jì)算方式，汽車級IGBT模塊壽命為工業(yè)級2.5倍，為牽引級14，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(jī)械結(jié)構(gòu)的加強(qiáng) 除了對上述IGBT內(nèi)部封裝工藝的改進(jìn)，英飛凌

8、汽車級IGBT還對IGBT外殼和接線端子進(jìn)行了增強(qiáng)，包括溫度特性和機(jī)械結(jié)構(gòu)特性的加強(qiáng)，以應(yīng)對汽車嚴(yán)酷的應(yīng)用環(huán)境，例如以下幾個(gè)方面。(1)溫度特性加強(qiáng)。相較通常工業(yè)應(yīng)用、汽車內(nèi)IGBT需要承受較高的溫度沖擊，如果IGBT的外殼材料不夠堅(jiān)固，將會(huì)在溫度沖擊下斷裂損壞，英飛凌汽車級IGBT需在熱沖擊試驗(yàn)-40 1251000次下完好無損。通過塑料材料和優(yōu)化的工藝參數(shù)，改進(jìn)后的IGBT外殼可靠性大大增強(qiáng)。 (2)結(jié)構(gòu)特性加強(qiáng)。在HEV中，IGBT震動(dòng)大大超過普通工業(yè)模塊，外殼和端子將承受較大的機(jī)械沖擊，英飛凌汽車級IGBT可以承受超過sg的機(jī)械振動(dòng)和超過30g的機(jī)械沖擊。 英飛凌汽車級IGBT產(chǎn)品 為滿足汽車級應(yīng)用，英飛凌對準(zhǔn)出HEV專用的IGBT模塊，包括2款產(chǎn)品： HybridPACK1400A650VIGBT6單元，針對電機(jī)功率20kW-30kW左右的輕度混合動(dòng)力汽車： HybridPACK2 800A650V IGBT 6單元、針對電機(jī)功率80kw左右的的全混合動(dòng)力車。 主要的產(chǎn)品特點(diǎn)： 6單元IGBT簡化逆變器設(shè)計(jì)； 工作結(jié)溫為150，最大節(jié)溫175； IGBT技術(shù)； 改進(jìn)后的綁定線工藝； 改進(jìn)后的陶瓷基片增加焊接可靠性； 6NTC； 改進(jìn)后的綁定線工藝； 改進(jìn)后的陶瓷基片增加焊接可靠性； 直接水冷系統(tǒng)，提升模塊散熱能力。 結(jié)論 隨著功率