英飛凌第二代HybridPACK? Drive 擴展結溫至200℃，以提升電動(dòng)車(chē)加速性能

新能源車(chē)在長(cháng)續航里程、低系統成本和緊湊輕量化方面提出了越來(lái)越高要求，優(yōu)化設計和權衡性能指標是各子部件或系統要考慮的主要方向。隨著(zhù)多合一這種高度集成化需求，像這種8合1，7合1會(huì )增強行業(yè)技術(shù)壁壘，市場(chǎng)占有率逐步提升，電驅高功率密度成為一個(gè)技術(shù)發(fā)展趨勢和應用挑戰，功率器件Si IGBT 或SiC MOSFET能實(shí)現電壓、電流、頻率轉換，是新能源車(chē)從電池到電機電能傳輸和電路執行的核心。功率器件不僅會(huì )影響系統成本，而且會(huì )影響產(chǎn)品的長(cháng)期可靠性和使用壽命，尤其像新能源車(chē)短時(shí)加速，瞬時(shí)輸出大電流大扭矩需求，結溫Tvj.op成為器件安全運行的工作邊界和限制條件。

目前英飛凌提供的最新HybridPACK^TM Drive Gen2 SiC MOSFET都允許達到200℃，也是業(yè)界第一個(gè)標注在規格書(shū)中的最高結溫，如何使用和理解該技術(shù)特點(diǎn)實(shí)現電驅的性能優(yōu)勢，也是本文想去闡述和表達的一個(gè)思路。

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結溫Tvj定義

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按照AQG324并結合IEC60747-9/15標準，器件結溫是不能真實(shí)直接被測量的，可以間接通過(guò)測量IGBT的Vcesat或二極管的VF， 或 MOSFET的內部體二極管VFsd 來(lái)標定測量，因此都標稱(chēng)為虛擬結溫Tvj，并不特定指向模塊內芯片的某個(gè)物理位置。簡(jiǎn)單講，結溫描述功率半導體內芯片溫度的空間分布，由于工作條件不同，不同部位的溫度梯度各不相同，如圖1示意為芯片表面的熱仿真結果。在產(chǎn)品規格書(shū)中有Tvj.max 為最大允許運行結溫，是定義器件自身直流電流時(shí)候的最大結溫，與實(shí)際運行條件和散熱設計沒(méi)有關(guān)系。Tvj.op為器件在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的長(cháng)期持續最大工作結溫，用于實(shí)際散熱設計和壽命分析。

在HybridPACK^TM Drive結溫定義中，還定義了短時(shí)擴展允許結溫，這是考慮正常運行工況條件下沒(méi)有考慮偶爾頻發(fā)事件的需求而延展，像電機在高溫條件下堵轉，或短時(shí)加速大電流，或低溫條件下大負載電流。模塊設計和可靠性認證都要去滿(mǎn)足長(cháng)期運行結溫Tvj.op，同時(shí)允許在某些惡劣工況下超過(guò)長(cháng)期工作條件一定時(shí)間，這些都在規格書(shū)中有承諾和定義。另外，由于IGBT或MOSFET模塊中的每個(gè)開(kāi)關(guān)都是由有多個(gè)芯片并聯(lián)實(shí)現，如圖2為示意多個(gè)SiC芯片并聯(lián)，內部均流效果會(huì )影響芯片之間溫度分布，模塊內同一開(kāi)關(guān)并聯(lián)芯片內部之間或上下橋臂開(kāi)關(guān)之間的溫度都會(huì )有所不同，會(huì )影響模塊整個(gè)輸出電流能力和產(chǎn)品長(cháng)期運行可靠性。因此，在實(shí)際結溫評估應用中，需要采用特殊的涂黑模塊用熱成像儀來(lái)讀取結溫去標定輸出電流能力，此時(shí)內部芯片平均等效結溫Tvj.op來(lái)評估更接近真實(shí)情況。

圖1 芯片表面溫度分布  

圖2  SiC芯片并聯(lián)

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擴展結溫Tvj.op=200℃

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相比HybridPACK? Drive  Gen1第一代產(chǎn)品，HPD  Gen2產(chǎn)品定義了持續運行最大結溫為175℃，擴展運行結溫到200℃, 累計持續時(shí)間為100h，如下表1為SiC模塊FS03R12A8MA2BA規格書(shū)中的說(shuō)明，這是英飛凌第二代HPD封裝不同與友商的主要技術(shù)優(yōu)勢和特點(diǎn)之一。

表1 規格書(shū)上定義的結溫

器件結溫提升還需要封裝材料的優(yōu)化來(lái)配合，傳統都采用聚合物，第二代都采用了高溫熱耐性好的聚苯硫醚PPS材料，變形溫度一般大于260℃，除了成本比較高外，其他材料性能像抗拉強度等方面都是器件封裝比較好的選擇。器件芯片頂部和背部工藝不論焊接還是燒結工藝都要滿(mǎn)足高結溫需求，更為重要是AQG324可靠性測試是滿(mǎn)足擴展200℃結溫所必須保證的標準，如下表2是所示測試條件和標準，其是在滿(mǎn)足標準1000小時(shí)完成后繼續增加100小時(shí)來(lái)評估該結溫是否安全和可靠，這確保擴展結溫范圍內器件在阻斷電壓能力和門(mén)級可靠性上安全運行和高頻開(kāi)關(guān)。

表2 測試條件和標準

累積擴展結溫100h是否能滿(mǎn)足應用需求呢？假定汽車(chē)在整個(gè)壽命期間的平均使用時(shí)間是8000h, 按照超過(guò)175℃達到200℃最大允許時(shí)間100h，估算允許的秒級時(shí)間為100x60x60=360000s，一個(gè)加速時(shí)間沖擊到峰值溫度200℃假定為持續時(shí)間15s，允許次數為24000次，那意味整個(gè)車(chē)使用壽命期間每小時(shí)可以加速3次，如果加速時(shí)間為10s，其達到每小時(shí)4.5次。因此，從實(shí)際需求角度講，遠遠滿(mǎn)足頻繁加速應用需要。

擴展結溫Tvj.op=200℃能否帶來(lái)應用收益呢？用實(shí)際的應用案例來(lái)仿真評估輸出電流能力更有說(shuō)服力，以FS03R12A8MA2BA為目標，第二代HPD Gen2封裝采用6個(gè)SiC芯片并聯(lián)，仿真條件: Vds=650V/700V/750V/800V, Rgon=16.9ohm/Rgoff=4.1ohm, PF=0.85, M=0.9,  fs=10kHz, Tinlet=65℃, flow rate= 12L/min，如下圖3為不同結溫條件下的輸出電流對比。

圖3  不同結溫時(shí)輸出電流對比

從最大輸出電流上看基本可以增加20A左右電流輸出能力，如果優(yōu)化門(mén)級驅動(dòng)電阻用更小阻值，其由于結溫提升帶來(lái)的電流能力會(huì )更大些。因此，在某些工況下電流短時(shí)增加能夠滿(mǎn)足加速條件，提升主驅輸出電流性能，同時(shí)也可以滿(mǎn)足客戶(hù)安全結溫的降額需求。

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結溫Tvj.op測量

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電驅?xiě)弥薪?jīng)常需要涂黑模塊來(lái)標定實(shí)際器件輸出電流能力，如何在實(shí)際測量中有效準確地評估擴展虛擬結溫200℃？通常結溫可以采用直接測量方法，用紅外熱成像儀通過(guò)讀取芯片表面溫度，為了防止各個(gè)區域輻射率不同而導致錯誤的測量結果，需要把被測區域涂成統一顏色，確保表面某物體和絕對黑體發(fā)射的紅外輻射能力，紅外成像儀必須根據被測對象設置輻射率，通常建議0.99。由于綁定線(xiàn)存在與芯片表面，其載流發(fā)熱也會(huì )影響結溫的測量和評估，有時(shí)讀出的最高結溫為綁定線(xiàn)溫度，此時(shí)不能準確讀取等效平均結溫，如圖4為芯片、綁定線(xiàn)溫度分布及其平均等效溫度，最高溫度點(diǎn)為104℃，芯片表面最高為100℃，平均等效結溫為94℃。

圖4 單個(gè)芯片上讀紅外溫度的分布

因此，需要移動(dòng)芯片正上方的綁定線(xiàn)如下圖5中的Ta，Tb，Tc位置，此時(shí)不超過(guò)允許Tvj≈TvjIR=1/3（Ta+Tb+Tc）。通常IGBT芯片面積比SiC MOSFET大，且物理上需要獨立續流二極管FWD配合構成一個(gè)開(kāi)關(guān)，有更多綁定線(xiàn)和鍵合點(diǎn)存在，容易測量結溫時(shí)候去移動(dòng)綁定線(xiàn)位置，用熱成像儀讀各個(gè)芯片表面溫度，用平均等效結溫來(lái)判斷，二者結溫可以分開(kāi)進(jìn)行評估和分析。但對MOSFET而言通常要采用同步整流模式來(lái)完成續流，單獨一個(gè)芯片實(shí)現一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)功能，有些情況無(wú)法移動(dòng)綁定線(xiàn)時(shí)，建議采用橢圓區域來(lái)標定芯片位置讀取溫度，如圖6所示為8個(gè)SiC MOSFET芯片測量溫度所標定的橢圓區域，其需要并聯(lián)構成一個(gè)完整開(kāi)關(guān)，因此，一方面所畫(huà)橢圓區域要基本是整個(gè)芯片表面積80%左右，覆蓋了芯片絕大部分發(fā)熱區域，盡可能包含流過(guò)負載電流鍵合點(diǎn)的位置，另一個(gè)方面多個(gè)芯片并聯(lián)可以平均每個(gè)橢圓區域點(diǎn)的誤差來(lái)讀取平均結溫，更能真實(shí)反映芯片的結溫，同時(shí)減少由于綁定線(xiàn)上最高溫度引起的誤差和判斷，避免用某個(gè)芯片或綁定線(xiàn)上的最大溫度點(diǎn)來(lái)進(jìn)行輸出電流標定，進(jìn)而影響功率器件的整體輸出電流能力和性能的判斷。

圖5 芯片表面區域

圖6 芯片上方橢圓區域

因此，擴展 200℃結溫所帶來(lái)的輸出能力提升優(yōu)勢可以用上述兩種直接測量方法來(lái)評估，進(jìn)而有效準確地評估產(chǎn)品的性能，確保該擴展虛擬結溫能夠帶來(lái)系統應用上的優(yōu)勢。