功率器件在混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)中的應用

混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)市場(chǎng)的增長(cháng)在很大程度上取決于每加侖/英里這一能耗指標及追加投入的每個(gè)硬幣所帶來(lái)的好處以及混合系統現場(chǎng)的可靠性。消費者將混合汽車(chē)與標準汽車(chē)進(jìn)行比較，并期待在整體更低擁有成本的前提下起碼具有同樣的性能和可靠性?；旌掀?chē)增加的成本必須在擁有期間通過(guò)節省燃料和維護成本得到回報。

用在HEV中逆變器和dc-dc轉換器中的功率模塊和其內的功率器件是主要的性能、可靠性和成本驅動(dòng)器。效率、功率密度和特定功率是一些關(guān)鍵性能指標。最重要的可靠性規范是熱循環(huán)和功率循環(huán)。

混合動(dòng)力汽車(chē)的分類(lèi)

在混合汽車(chē)驅動(dòng)系統中，需將一或幾個(gè)電機與燃燒引擎一起使用?？筛鶕旌铣潭群拖到y架構對混合汽車(chē)進(jìn)行分類(lèi)?？杀环譃槲?micro)級、輕度(mild)級和完全(full)級的混合程度決定電機執行的功能。該分類(lèi)還決定所需的功率級及優(yōu)選的系統架構。

串行、并行和功率分配是最常用的架構。對一款特定車(chē)輛來(lái)說(shuō)，混合程度和系統架構的選擇主要取決于所需的功能、車(chē)輛大小、行駛年限及設定的燃油經(jīng)濟性指標。每個(gè)混合系統的功率電子內容各不一樣，它取決于功能、功率要求和架構。

當僅需要啟動(dòng)-停止功能時(shí)(例如旅行車(chē)場(chǎng)合)，用一個(gè)集成起動(dòng)器/交流發(fā)電機系統代替了起動(dòng)器和交流發(fā)電機的并行微混合的方法就很通用。在這些系統中，電壓和功率等級相對較低，其油耗的改進(jìn)在10%左右。

除啟動(dòng)-停止功能外，當需要時(shí)，一個(gè)輕度混合系統可提升/輔助引擎功率，另外，它還從再生制動(dòng)中獲取能量，從而可將油耗的改進(jìn)提升到15%左右。增加的功能需要更高的能耗，所以要采用高壓器件(80 V 到600 V)。

若以完全電子模式運行車(chē)輛，則需要一個(gè)具有高壓和大電流能力的完全混合系統。根據應用，完全混合系統可具有串行、并行和功率分配架構，它可將油耗降低35%。

HEV系統中功率電子面臨的挑戰

HEV系統中的功率電子需高效地將能量從dc轉至ac(電池到電機)、從ac轉至dc(發(fā)電機到電池)及從dc 到dc(對升壓轉換器來(lái)說(shuō)，是從低的電池電壓到高的逆變器輸入電壓；對降壓轉換器來(lái)說(shuō)是從高壓電池到低壓電池)。因在該能量轉換中，要對高壓和大電流進(jìn)行開(kāi)關(guān)，所以需采用具有最低損耗的功率器件技術(shù)。對較低的系統電壓和電流來(lái)說(shuō)，MOSFET技術(shù)比IGBT有更好的功率密度，它們用在微混合應用中。對輕度混合應用來(lái)說(shuō)，當系統電壓高于120V時(shí)，IGBT是首選器件。對全混合應用來(lái)說(shuō)，600V到1200V的IGBT是使用的唯一器件。

一般來(lái)說(shuō)，傳統的NPT IGBT在導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗特性間有一個(gè)平衡。若導通損耗降低則開(kāi)關(guān)損耗增加。英飛凌的溝道FieldStop IGBT及配套的EmCon二極管技術(shù)與傳統器件相比，在增加芯片電流密度的同時(shí)減小了導通和開(kāi)關(guān)損耗。通過(guò)采用一個(gè)場(chǎng)截止(fieldstop)層來(lái)得到更低損耗，該層減小了器件厚度并降低了通過(guò)器件的壓降。圖1顯示了平面和溝道器件所用不同IGBT技術(shù)的截面層。另外，Field-Stop器件可連續工作在150 °C(最高175 °C)的結溫度，該特性強化了芯片電流密度并使采用更高的冷卻溫度變得更容易。

嵌放在一個(gè)便利封裝內的功率模塊可承受極端溫度環(huán)境、震動(dòng)及其它惡劣環(huán)境條件。除器件工作引起的溫度變化外，環(huán)境溫度變異及車(chē)內產(chǎn)生的振動(dòng)帶來(lái)可靠性挑戰。在混合汽車(chē)應用中功率模塊預期的使用壽命是15年/15萬(wàn)英里，所以在設計該模塊時(shí)，要使其能具有期望的可靠性。例如，在某些情況，更高的器件性能會(huì )對模塊的穩定性產(chǎn)生不良影響。從器件技術(shù)的角度講，某些功率器件可工作于高的結溫度，但該更高的結溫度會(huì )在線(xiàn)綁定接口產(chǎn)生更高溫度，從而降低模塊功率周期的穩定性。因此，需建立一整套全面的器件和封裝技術(shù)規范來(lái)優(yōu)化性能、可靠性和成本。

混合車(chē)用功率半導體模塊

應用需要功率模塊具有高電流密度，這也就意味著(zhù)每單位電流容量具有更小的體積。器件越小，包納其于其內的底層也就越小，結果就得到一個(gè)模塊雖小但功率密度更高的模塊。圖2顯示的是英飛凌預期的1200V器件體積的減小情況。顯然，與NPT器件相比，FieldStop器件顯著(zhù)縮小了體積。

封裝設計和互連技術(shù)對模塊的寄生感應產(chǎn)生很大影響，它們也可被用來(lái)改進(jìn)功率密度。另外，選擇的材料也會(huì )對性能和可靠性產(chǎn)生影響。例如，氮化硅底層的成本比氧化鋁底層的成本高很多，但前者的熱性能明顯好于后者。同樣，昂貴的鋁硅碳化物基板也比便宜的銅基板具有高得多的熱循環(huán)可靠性。

當為HEV設計功率模塊時(shí)，需在設計開(kāi)始就明確關(guān)鍵的障礙。需采用恰當的器件技術(shù)、底層布局和封裝技術(shù)以滿(mǎn)足性能、可靠性和成本目標。表1顯示了三種模塊在性能和可靠性方面的對比，它們分別是：用于工業(yè)可變速驅動(dòng)的標準半橋62mm模塊、用于輕度混合的六單元(six-pack)HybridPACK1模塊(圖3)和用于全混合的六單元(six-pack)HybridPACK2模塊。

在全部三種模塊內，都采用了相同的600V溝道FieldStop器件技術(shù)，但采用的封裝技術(shù)不同。62mm和 HybridPACK1模塊實(shí)現的器件電流是400A(每開(kāi)關(guān)各有兩個(gè)200A IGBT和兩個(gè)200A二極管)，而HybridPACK2模塊的電流是800A(每開(kāi)關(guān)各有四個(gè)200A IGBT和四個(gè)200A二極管)。用于62 mm、HybridPACK1和HybridPACK2模塊功率和信號熱連接的封裝技術(shù)分別采用的是：焊接、線(xiàn)綁定和超聲波焊接。通過(guò)布局改良及采用線(xiàn)綁定的功率和信號熱連接，HybridPACK1模塊的功率密度已比62mm模塊提升了50%。雖然寄生感應增加了50%，但對600V器件來(lái)說(shuō)，這并非一個(gè)主要問(wèn)題，因為在輕度混合應用中最壞的系統電壓情況在200V以下。

通過(guò)創(chuàng )新的超聲波焊接工藝和改進(jìn)的布局，HybridPACK2模塊的功率密度增加了120%以上。多個(gè)線(xiàn)連接及為了移動(dòng)綁定工具分配的空間使線(xiàn)綁定熱連接在封裝內很占空間；超聲波焊接則省去了該空間且速度也比線(xiàn)綁定工藝快。另外，線(xiàn)綁定的電流輸送能力有限。因厚的銅終端在超聲波焊接時(shí)與底層融固在一起，所以，超聲波焊接的電流載運能力不受限制。更緊湊的封裝還顯著(zhù)降低了HybridPACK2封裝的自感。對全混合應用來(lái)說(shuō)，因系統電壓會(huì )高于400V，且大電流會(huì )產(chǎn)生很大的dI/dt，所以低的寄生感應很重要。

模塊的熱阻抗主要取決于每開(kāi)關(guān)所占的芯片面積、模塊的材料堆疊及底層布局。材料堆疊特性直接影響模塊的熱阻抗，而布局則增加了交叉傳導部分。在62mm和HybridPACK1模塊中，采用了平的銅基層，而HybridPACK2則采用集成的針翅管(pin-finned)銅基層。對帶有平基層的模塊來(lái)說(shuō)，需將導熱脂和散熱層的熱阻抗加起來(lái)以得到“從結到環(huán)境”的熱阻抗。借助拿掉了導熱脂層并直接將底層與針翅管基板焊接在一起，從而顯著(zhù)改善了HybridPACK2模塊的熱阻抗表現。

模塊內臨近材料的熱擴展不匹配將使連接部位產(chǎn)生壓力形變并最終導致故障。最大的壓力產(chǎn)生在銅基板上為與底層焊接在一起所涂覆的焊料點(diǎn)上。為加強可靠性，模塊制造商傳統上采用氮化鋁底層與鋁硅碳化物基板的組合，此舉顯著(zhù)增加了成本。為替代昂貴的鋁硅碳化物，英飛凌開(kāi)發(fā)出采用銅基板和改進(jìn)的氧化鋁底層的HybridPACK1和HybridPACK2模塊。這種材料組合可滿(mǎn)足可靠性目標要求，但成本卻降低了很多。汽車(chē)的可靠性目標是從-40 °C到125 °C的1000次循環(huán)。

結論

功率模塊的性能、可靠性和成本是HEV市場(chǎng)增長(cháng)的主要驅動(dòng)器。為降低成本，需降低功率模塊內器件的功率密度和結溫度。英飛凌的溝道FieldStop IGBT和EmCon就是在增加結溫度的同時(shí)可降低導通和開(kāi)關(guān)損耗的這樣一類(lèi)器件。通過(guò)采用高效的功率器件和超聲波焊接技術(shù)可顯著(zhù)改進(jìn)模塊的功率密度；同樣，采用集成的針翅管基層可改進(jìn)熱性能。改進(jìn)的氧化鋁底層和銅基板方法能以低成本為HybridPACK模塊提供最優(yōu)異的可靠性。對全混合應用來(lái)說(shuō)，HybridPACK2是一款優(yōu)異的模塊，它提供了高功率密度、低自感、低熱阻及最佳可靠性和最低成本。

REFERENCES

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