汽車級(jí)IGBT在混合動(dòng)力車中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

針對(duì)汽車功率模塊需求，英飛凌通過(guò)增強(qiáng)IGBT的功率循環(huán)和溫度循環(huán)特性，并增加IGBT結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，大大提高了IGBT的壽命預(yù)期。





混合動(dòng)力車輛中功率半導(dǎo)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(jī)械沖擊下，按照特定的汽車驅(qū)動(dòng)工況，為混合系統(tǒng)的電機(jī)提供能量。

根據(jù)不同車輛設(shè)計(jì)，逆變器可能放置在汽車尾箱、變速箱內(nèi)或引擎蓋下靠近內(nèi)燃機(jī)的位置，因此IGBT模塊要經(jīng)受嚴(yán)峻的溫度(-40℃～150℃)和機(jī)械條件(振動(dòng)、沖擊)的考驗(yàn)。

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

復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)工況

不同于工業(yè)應(yīng)用中電機(jī)拖動(dòng)，混合動(dòng)力車輛驅(qū)動(dòng)工況更復(fù)雜，例如對(duì)應(yīng)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，而是隨車輛工況反復(fù)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(yùn)行。

高可靠性要求

IGBT功率模塊失效將會(huì)導(dǎo)致車輛立刻失去動(dòng)力，嚴(yán)重影響整車廠商信譽(yù)和用戶使用體驗(yàn)。

汽車生產(chǎn)廠家需要IGBT模塊在HEV全壽命周期中無(wú)需更換，對(duì)IGBT的耐久性提出了更高要求(汽車整車設(shè)計(jì)壽命15年)。

成本控制要求

大規(guī)模生產(chǎn)的汽車不同于列車牽引應(yīng)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(dá)到平衡，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此，針對(duì)汽車應(yīng)用中各種限制條件，需要專用IGBT才能滿足苛刻的應(yīng)用需求。

IGBT結(jié)構(gòu)

圖3顯示了帶基板的功率模塊的結(jié)構(gòu)。兩側(cè)都帶薄銅層的陶瓷襯底被焊接在基板上。IGBT芯片被焊在設(shè)計(jì)好的銅層上。芯片的表面通過(guò)綁定線(bonding wire)壓焊到銅層上。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)模塊采用這種制作方法。目前70%到80%的功率模塊都按照標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱硅脂安裝散熱器。



英飛凌汽車級(jí)IGBT可靠性改進(jìn)

可靠性是IGBT應(yīng)用于汽車中的最大挑戰(zhàn)，除了電壓、電流等常規(guī)參數(shù)的設(shè)計(jì)考慮，涉及IGBT可靠性的主要參數(shù)有：溫度循環(huán)次數(shù)(thermal cycling)和功率循環(huán)次數(shù)(power cycling)，決定了IGBT的使用壽命，其他參數(shù)例如IGBT機(jī)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(shè)計(jì)主要考慮IGBT Tjmax(最高結(jié)溫)的限制，但在混合動(dòng)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(huì)帶來(lái)電流、電壓的改變，由此帶來(lái)的ΔTj(結(jié)溫快速變化)將會(huì)更大程度影響IGBT的壽命，IGBT導(dǎo)通電流波動(dòng)時(shí)，綁定線也會(huì)隨之?dāng)[動(dòng)，對(duì)綁定線和IGBT芯片連接可靠性有較大的影響，反復(fù)的擺動(dòng)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(yùn)行工況，針對(duì)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(jí)功率循環(huán)試驗(yàn)”(power cycling second，電流加熱，外部水冷冷卻)，通過(guò)加速老化試驗(yàn)，模擬電氣沖擊下綁定線的焊接可靠性，英飛凌汽車級(jí)IGBT需要承受ΔTj=60k，最大節(jié)溫150℃，0.5s tcycl5s，150kc次功率循環(huán)而不損壞。

相對(duì)于傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用，混合動(dòng)力車(HEV)中的IGBT工作環(huán)境惡劣，因而對(duì)IGBT長(zhǎng)期使用的可靠性提出了更高的要求。

相對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)模塊主要有以下幾點(diǎn)改進(jìn)：

● 綁定線材料改進(jìn);

● 芯片結(jié)構(gòu)加強(qiáng);

● 綁定線連接回路優(yōu)化;

● 優(yōu)化后的焊接工藝。