汽車(chē)級IGBT在混合動(dòng)力車(chē)中的設計應用

針對汽車(chē)功率模塊需求，英飛凌通過(guò)增強IGBT的功率循環(huán)和溫度循環(huán)特性，并增加IGBT結構強度，大大提高了IGBT的壽命預期。





混合動(dòng)力車(chē)輛中功率半導體模塊的要求

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)境溫度及機械沖擊下，按照特定的汽車(chē)驅動(dòng)工況，為混合系統的電機提供能量。

根據不同車(chē)輛設計，逆變器可能放置在汽車(chē)尾箱、變速箱內或引擎蓋下靠近內燃機的位置，因此IGBT模塊要經(jīng)受?chē)谰臏囟?-40℃～150℃)和機械條件(振動(dòng)、沖擊)的考驗。

IGBT模塊通常采用發(fā)動(dòng)機冷卻液冷卻，環(huán)境溫度在極限情況下可達Ta=105℃，對功率模塊的功率密度及散熱設計提出了更高的要求。

復雜的驅動(dòng)工況

不同于工業(yè)應用中電機拖動(dòng)，混合動(dòng)力車(chē)輛驅動(dòng)工況更復雜，例如對應城市工況，需要頻繁切換于加速、減速、巡航各個(gè)狀態(tài)，因此通過(guò)IGBT的電流、電壓并非常量，而是隨車(chē)輛工況反復循環(huán)波動(dòng)，IGBT模塊需要在電流、電壓循環(huán)沖擊下可靠運行。

高可靠性要求

IGBT功率模塊失效將會(huì )導致車(chē)輛立刻失去動(dòng)力，嚴重影響整車(chē)廠(chǎng)商信譽(yù)和用戶(hù)使用體驗。

汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家需要IGBT模塊在HEV全壽命周期中無(wú)需更換，對IGBT的耐久性提出了更高要求(汽車(chē)整車(chē)設計壽命15年)。

成本控制要求

大規模生產(chǎn)的汽車(chē)不同于列車(chē)牽引應用，在性能要求很高的條件下，不能通過(guò)增加成本的方法換取可靠性，需要在成本和性能上達到平衡，對產(chǎn)品的設計提出了更高的要求。因此，針對汽車(chē)應用中各種限制條件，需要專(zhuān)用IGBT才能滿(mǎn)足苛刻的應用需求。

IGBT結構

圖3顯示了帶基板的功率模塊的結構。兩側都帶薄銅層的陶瓷襯底被焊接在基板上。IGBT芯片被焊在設計好的銅層上。芯片的表面通過(guò)綁定線(xiàn)(bonding wire)壓焊到銅層上。大多數標準模塊采用這種制作方法。目前70%到80%的功率模塊都按照標準模塊結構來(lái)制造。陶瓷一般采用Al2O3，基板采用銅為材料。IGBT底板通過(guò)導熱硅脂安裝散熱器。



英飛凌汽車(chē)級IGBT可靠性改進(jìn)

可靠性是IGBT應用于汽車(chē)中的最大挑戰，除了電壓、電流等常規參數的設計考慮，涉及IGBT可靠性的主要參數有：溫度循環(huán)次數(thermal cycling)和功率循環(huán)次數(power cycling)，決定了IGBT的使用壽命，其他參數例如IGBT機械可靠性特性也需要額外的關(guān)注。

功率循環(huán)

通常，逆變器設計主要考慮IGBT Tjmax(最高結溫)的限制，但在混合動(dòng)力車(chē)應用中，逆變器較少處于恒定工況，加速、巡航、減速都會(huì )帶來(lái)電流、電壓的改變，由此帶來(lái)的ΔTj(結溫快速變化)將會(huì )更大程度影響IGBT的壽命，IGBT導通電流波動(dòng)時(shí)，綁定線(xiàn)也會(huì )隨之擺動(dòng)，對綁定線(xiàn)和IGBT芯片連接可靠性有較大的影響，反復的擺動(dòng)可能導致綁定線(xiàn)壽命的耗盡(EOL， End of Life)，例如綁定線(xiàn)和IGBT芯片焊接脫落、綁定線(xiàn)斷裂等，直接導致IGBT的損壞。



為了模擬汽車(chē)運行工況，針對HEV頻繁的加速、減速、巡航帶來(lái)的電流沖擊，英飛凌定義了“秒級功率循環(huán)試驗”(power cycling second，電流加熱，外部水冷冷卻)，通過(guò)加速老化試驗，模擬電氣沖擊下綁定線(xiàn)的焊接可靠性，英飛凌汽車(chē)級IGBT需要承受ΔTj=60k，最大節溫150℃，0.5s tcycl5s，150kc次功率循環(huán)而不損壞。

相對于傳統工業(yè)應用，混合動(dòng)力車(chē)(HEV)中的IGBT工作環(huán)境惡劣，因而對IGBT長(cháng)期使用的可靠性提出了更高的要求。

相對傳統工業(yè)模塊主要有以下幾點(diǎn)改進(jìn)：

● 綁定線(xiàn)材料改進(jìn);

● 芯片結構加強;

● 綁定線(xiàn)連接回路優(yōu)化;

● 優(yōu)化后的焊接工藝。