功率器件在混合動(dòng)力汽車(chē)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ⅲ╩icro）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。

　　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ⅲ╩icro）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