汽車級IGBT在混合動力車中的應(yīng)用
通常,逆變器設(shè)計主要考慮IGBT Tjmax(最高結(jié)溫)的限制,但在混合動力車應(yīng)用中,逆變器較少處于恒定工況,加速、巡航、減速都會帶來電流、電壓的改變,由此帶來的ΔTj(結(jié)溫快速變化)將會更大程度影響IGBT的壽命,IGBT導(dǎo)通電流波動時,綁定線也會隨之?dāng)[動,對綁定線和IGBT芯片連接可靠性有較大的影響,反復(fù)的擺動可能導(dǎo)致綁定線壽命的耗盡(EOL, End of Life),例如綁定線和IGBT芯片焊接脫落、綁定線斷裂等,直接導(dǎo)致IGBT的損壞。
為了模擬汽車運行工況,針對HEV頻繁的加速、減速、巡航帶來的電流沖擊,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),通過加速老化試驗,模擬電氣沖擊下綁定線的焊接可靠性,英飛凌汽車級IGBT需要承受ΔTj=60k,最大節(jié)溫150℃,0.5s < tcycl<5s,150kc次功率循環(huán)而不損壞。
相對傳統(tǒng)工業(yè)模塊主要有以下幾點改進(jìn):
● 綁定線材料改進(jìn);
● 芯片結(jié)構(gòu)加強;
● 綁定線連接回路優(yōu)化;
● 優(yōu)化后的焊接工藝。
逆變器在HEV中,通常位于前艙靠近發(fā)動機(jī)或位于傳動機(jī)構(gòu)附近,IGBT模塊將承受較高的環(huán)境溫度和溫度變化,對IGBT模塊內(nèi)部焊接層有較大影響。
IGBT模塊由多層不同材料組成(見圖3),每種材料具有不同的CTE(熱膨脹系數(shù)),CTE的差別會影響功率模塊的使用壽命,當(dāng)模塊使用時,溫度的變化會在不同層間產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力而導(dǎo)致焊接脫落,我們的目標(biāo)是選用熱膨脹系數(shù)差別盡可能小的材料來進(jìn)行焊接組合。但另一方面,即使它們的熱膨脹系數(shù)十分匹配,因為材料本身的成本可能會太高,或者在生產(chǎn)過程中難以被加工或加工成本太高。例如列車牽引應(yīng)用中的AlSiC基板。熱膨脹系數(shù)和襯底幾乎相同,因此有更好的熱循環(huán)特性。但對混合動力車應(yīng)用因成本過高而很難被接受。
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