功率器件在混合動力汽車中的應(yīng)用

　　混合動力汽車（HEV）市場的增長在很大程度上取決于每加侖/英里這一能耗指標(biāo)及追加投入的每個(gè)硬幣所帶來的好處以及混合系統(tǒng)現(xiàn)場的可靠性。消費(fèi)者將混合汽車與標(biāo)準(zhǔn)汽車進(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囋黾拥某杀颈仨氃趽碛衅陂g通過節(jié)省燃料和維護(hù)成本得到回報(bào)。

　　用在HEV中逆變器和dc-dc轉(zhuǎn)換器中的功率模塊和其內(nèi)的功率器件是主要的性能、可靠性和成本驅(qū)動器。效率、功率密度和特定功率是一些關(guān)鍵性能指標(biāo)。最重要的可靠性規(guī)范是熱循環(huán)和功率循環(huán)。

　　混合動力汽車的分類

　　在混合汽車驅(qū)動系統(tǒng)中，需將一或幾個(gè)電機(jī)與燃燒引擎一起使用?？筛鶕?jù)混合程度和系統(tǒng)架構(gòu)對混合汽車進(jìn)行分類?？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(jī)執(zhí)行的功能。該分類還決定所需的功率級及優(yōu)選的系統(tǒng)架構(gòu)。

　　串行、并行和功率分配是最常用的架構(gòu)。對一款特定車輛來說，混合程度和系統(tǒng)架構(gòu)的選擇主要取決于所需的功能、車輛大小、行駛年限及設(shè)定的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。每個(gè)混合系統(tǒng)的功率電子內(nèi)容各不一樣，它取決于功能、功率要求和架構(gòu)。

　　當(dāng)僅需要啟動-停止功能時(shí)（例如旅行車場合），用一個(gè)集成起動器/交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)代替了起動器和交流發(fā)電機(jī)的并行微混合的方法就很通用。在這些系統(tǒng)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-停止功能外，當(dāng)需要時(shí)，一個(gè)輕度混合系統(tǒng)可提升/輔助引擎功率，另外，它還從再生制動中獲取能量，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(yùn)行車輛，則需要一個(gè)具有高壓和大電流能力的完全混合系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用，完全混合系統(tǒng)可具有串行、并行和功率分配架構(gòu)，它可將油耗降低35%。

　　HEV系統(tǒng)中功率電子面臨的挑戰(zhàn)

　　HEV系統(tǒng)中的功率電子需高效地將能量從dc轉(zhuǎn)至ac（電池到電機(jī)）、從ac轉(zhuǎn)至dc（發(fā)電機(jī)到電池）及從dc 到dc（對升壓轉(zhuǎn)換器來說，是從低的電池電壓到高的逆變器輸入電壓；對降壓轉(zhuǎn)換器來說是從高壓電池到低壓電池）。因在該能量轉(zhuǎn)換中，要對高壓和大電流進(jìn)行開關(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(tǒng)電壓和電流來說，MOSFET技術(shù)比IGBT有更好的功率密度，它們用在微混合應(yīng)用中。對輕度混合應(yīng)用來說，當(dāng)系統(tǒng)電壓高于120V時(shí)，IGBT是首選器件。對全混合應(yīng)用來說，600V到1200V的IGBT是使用的唯一器件。

　　一般來說，傳統(tǒng)的NPT IGBT在導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗特性間有一個(gè)平衡。若導(dǎo)通損耗降低則開關(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(tǒng)器件相比，在增加芯片電流密度的同時(shí)減小了導(dǎo)通和開關(guān)損耗。通過采用一個(gè)場截止（fieldstop）層來得到更低損耗，該層減小了器件厚度并降低了通過器件的壓降。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，F(xiàn)ield-Stop器件可連續(xù)工作在150 °C（最高175 °C）的結(jié)溫度，該特性強(qiáng)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(nèi)的功率模塊可承受極端溫度環(huán)境、震動及其它惡劣環(huán)境條件。除器件工作引起的溫度變化外，環(huán)境溫度變異及車內(nèi)產(chǎn)生的振動帶來可靠性挑戰(zhàn)。在混合汽車應(yīng)用中功率模塊預(yù)期的使用壽命是15年/15萬英里，所以在設(shè)計(jì)該模塊時(shí)，要使其能具有期望的可靠性。例如，在某些情況，更高的器件性能會對模塊的穩(wěn)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(jié)溫度，但該更高的結(jié)溫度會在線綁定接口產(chǎn)生更高溫度，從而降低模塊功率周期的穩(wěn)定性。因此，需建立一整套全面的器件和封裝技術(shù)規(guī)范來優(yōu)化性能、可靠性和成本。

　　混合車用功率半導(dǎo)體模塊

　　應(yīng)用需要功率模塊具有高電流密度，這也就意味著每單位電流容量具有更小的體積。器件越小，包納其于其內(nèi)的底層也就越小，結(jié)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(yù)期的1200V器件體積的減小情況。顯然，與NPT器件相比，F(xiàn)ieldStop器件顯著縮小了體積。

　　封裝設(shè)計(jì)和互連技術(shù)對模塊的寄生感應(yīng)產(chǎn)生很大影響，它們也可被用來改進(jìn)功率密度。另外，選擇的材料也會對性能和可靠性產(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。

　　混合動力汽車（HEV）市場的增長在很大程度上取決于每加侖/英里這一能耗指標(biāo)及追加投入的每個(gè)硬幣所帶來的好處以及混合系統(tǒng)現(xiàn)場的可靠性。消費(fèi)者將混合汽車與標(biāo)準(zhǔn)汽車進(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囋黾拥某杀颈仨氃趽碛衅陂g通過節(jié)省燃料和維護(hù)成本得到回報(bào)。

　　用在HEV中逆變器和dc-dc轉(zhuǎn)換器中的功率模塊和其內(nèi)的功率器件是主要的性能、可靠性和成本驅(qū)動器。效率、功率密度和特定功率是一些關(guān)鍵性能指標(biāo)。最重要的可靠性規(guī)范是熱循環(huán)和功率循環(huán)。

　　混合動力汽車的分類

　　在混合汽車驅(qū)動系統(tǒng)中，需將一或幾個(gè)電機(jī)與燃燒引擎一起使用?？筛鶕?jù)混合程度和系統(tǒng)架構(gòu)對混合汽車進(jìn)行分類?？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(jī)執(zhí)行的功能。該分類還決定所需的功率級及優(yōu)選的系統(tǒng)架構(gòu)。

　　串行、并行和功率分配是最常用的架構(gòu)。對一款特定車輛來說，混合程度和系統(tǒng)架構(gòu)的選擇主要取決于所需的功能、車輛大小、行駛年限及設(shè)定的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。每個(gè)混合系統(tǒng)的功率電子內(nèi)容各不一樣，它取決于功能、功率要求和架構(gòu)。

　　當(dāng)僅需要啟動-停止功能時(shí)（例如旅行車場合），用一個(gè)集成起動器/交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)代替了起動器和交流發(fā)電機(jī)的并行微混合的方法就很通用。在這些系統(tǒng)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-停止功能外，當(dāng)需要時(shí)，一個(gè)輕度混合系統(tǒng)可提升/輔助引擎功率，另外，它還從再生制動中獲取能量，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(yùn)行車輛，則需要一個(gè)具有高壓和大電流能力的完全混合系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用，完全混合系統(tǒng)可具有串行、并行和功率分配架構(gòu)，它可將油耗降低35%。

　　HEV系統(tǒng)中功率電子面臨的挑戰(zhàn)

　　HEV系統(tǒng)中的功率電子需高效地將能量從dc轉(zhuǎn)至ac（電池到電機(jī)）、從ac轉(zhuǎn)至dc（發(fā)電機(jī)到電池）及從dc 到dc（對升壓轉(zhuǎn)換器來說，是從低的電池電壓到高的逆變器輸入電壓；對降壓轉(zhuǎn)換器來說是從高壓電池到低壓電池）。因在該能量轉(zhuǎn)換中，要對高壓和大電流進(jìn)行開關(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(tǒng)電壓和電流來說，MOSFET技術(shù)比IGBT有更好的功率密度，它們用在微混合應(yīng)用中。對輕度混合應(yīng)用來說，當(dāng)系統(tǒng)電壓高于120V時(shí)，IGBT是首選器件。對全混合應(yīng)用來說，600V到1200V的IGBT是使用的唯一器件。

　　一般來說，傳統(tǒng)的NPT IGBT在導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗特性間有一個(gè)平衡。若導(dǎo)通損耗降低則開關(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(tǒng)器件相比，在增加芯片電流密度的同時(shí)減小了導(dǎo)通和開關(guān)損耗。通過采用一個(gè)場截止（fieldstop）層來得到更低損耗，該層減小了器件厚度并降低了通過器件的壓降。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，F(xiàn)ield-Stop器件可連續(xù)工作在150 °C（最高175 °C）的結(jié)溫度，該特性強(qiáng)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(nèi)的功率模塊可承受極端溫度環(huán)境、震動及其它惡劣環(huán)境條件。除器件工作引起的溫度變化外，環(huán)境溫度變異及車內(nèi)產(chǎn)生的振動帶來可靠性挑戰(zhàn)。在混合汽車應(yīng)用中功率模塊預(yù)期的使用壽命是15年/15萬英里，所以在設(shè)計(jì)該模塊