用于電動(dòng)汽車(chē)的功率半導體模塊設計

　　汽車(chē)行業(yè)目前正在經(jīng)歷一個(gè)重大的技術(shù)變革時(shí)期，這已經(jīng)是個(gè)不爭的事實(shí)。過(guò)去100多年里，內燃機引擎中都在使用燃油泵和活塞，而現在正在被鋰離子電池、逆變器和IGBT所取代。簡(jiǎn)言之，汽車(chē)正在變得更加電子化。汽車(chē)的第一次電子化可能僅僅被看作是增加其電子含量的演練，或在適應現有的非汽車(chē)系統(如高壓工業(yè)驅動(dòng)器)，最終適應汽車(chē)中的應用。然后，采用這種方法將會(huì )大大低估可能面臨的挑戰。在功率和電壓等級方面，就目前的相似度而言，它們都與相關(guān)的工業(yè)離線(xiàn)應用類(lèi)似。在汽車(chē)世界里，空間和重量都受到限制，而且環(huán)境也很惡劣，0ppm(ppm=不合格品個(gè)數*1000000/批量)質(zhì)量至關(guān)重要，而讓問(wèn)題變得更加嚴重的是，純電動(dòng)車(chē)(EV)中的能源供應是有限的，因此效率就成為關(guān)鍵所在。所以，我們還不能忽略對于低成本系統的需求，要與內燃機引擎(在過(guò)去幾十年里，這一技術(shù)在魯棒性、可靠性和出色的功率密度方面進(jìn)行了優(yōu)化)進(jìn)行競爭。這是一個(gè)新興的市場(chǎng)，需要專(zhuān)門(mén)基于這一因素開(kāi)發(fā)半導體解決方案!

　　在眾多電動(dòng)汽車(chē)中，需求最多的便是主逆變器，在這里，采用專(zhuān)門(mén)針對應用進(jìn)行開(kāi)發(fā)的芯片和封裝解決方案至關(guān)重要。在(H)EV發(fā)展早期，普遍采用工業(yè)“磚”型模塊(這些最初是設計用于工業(yè)離線(xiàn)應用)，因此對于汽車(chē)的功率密度以及有限結構因數的限制基本沒(méi)有考慮。它們一般包括IGBT和二極管，額定電壓為600V或1200V，結溫最高達到150℃。在室溫范圍內，短路保護性能限制在6μs.在汽車(chē)世界中，一個(gè)重要的因數是工作溫度范圍，其最低可以達到-40℃，在更低的溫度下，IGBT和二極管的BV(擊穿電壓)下降，器件處理電壓峰值時(shí)，潛在的會(huì )帶來(lái)一些問(wèn)題。為此，采用具有更高BV的功率元件將會(huì )受益，CooliRIGBT Gen 2平臺便是一個(gè)示例。

　　超薄晶體IGBT技術(shù)，額定電壓為680V，24A至600A的芯片尺寸，在-40℃溫度，最低600V的BV下，能夠實(shí)現良好的Vce(on)性能。與此相配合的性能主要針對在175℃的結溫下運行的器件，不止限制時(shí)間量(如一些替代技術(shù))，而且溫度始終為175℃。因為具有更高的BV的緣故，更高的電壓峰值可以適應系統，因此降低了對于高成本解決方案的需求，這可以限制電感，又或者，系統的確可以更快的轉換，獲得更多的優(yōu)勢，如降低電機尺寸。與器件的主逆變器的保護相關(guān)的高功率水平顯然是非常重要的，對于這種高溫環(huán)境下開(kāi)關(guān)的短路保護性能同樣也非常重要。CooliRIGBT器件能夠針對性能平衡進(jìn)行優(yōu)化，但是一般是設計用于處在150℃，至少6μs的短路保護時(shí)間。保護特性通過(guò)芯片上的電流感應最終完成。圖1總結了新的IGBT平臺的一些特性。

　　圖1：CooliR IGBT和CooliR二極管特性的總結

　　為了保證最佳的系統效率，必須采用一個(gè)適當的二極管與IGBT相搭配。圖1還介紹了CooliRDIODE Gen 2，這是一款超薄芯片，680V的超快速軟件恢復二極管，提供了無(wú)振鈴性能。Err和Vf根據應用進(jìn)行平衡，很重要的一點(diǎn)是認識到針對空調應用，Err和Vf的平衡將與主逆變器的需要有所不同。最終，24至600A的二極管系列，都根據典型的應用，在每個(gè)電流水平上得到優(yōu)化。近年來(lái)，對于稀土金屬供應及成本的關(guān)注不斷增加，促使電機廠(chǎng)商不得不尋求替代解決方案。電機變得更小型、更輕巧，而且同時(shí)還需要15~20kHz的頻率范圍(傳統頻率為5-10kHz)，這種情況現在變得越來(lái)越普遍。與此相對應，這需要具有優(yōu)異的高速度開(kāi)關(guān)性能的IGBT和二極管，以保證開(kāi)關(guān)損耗不會(huì )變得不可管理。更高的頻率還意味著(zhù)必須把關(guān)注點(diǎn)放在寄生電感、特別是封裝上面。

　　在功率半導體的早期，對于研發(fā)投入大量資金的關(guān)注點(diǎn)是提高芯片的性能。隨著(zhù)半導體技術(shù)變得越來(lái)越好，關(guān)注的重點(diǎn)也開(kāi)始轉移到封裝上面。封裝畢竟是影響系統的一個(gè)因素——無(wú)論從電子方面還是散熱方面上。圖2總結了封裝能夠對系統產(chǎn)生的影響——從根本上講，如果放置在一個(gè)較差的封裝中，系能優(yōu)異的半導體器件僅能實(shí)現極少的價(jià)值。

　　圖2：半導體封裝對于功率電子系統的影響