功率器件在混合動(dòng)力汽車中的應(yīng)用

　　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(huì)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。

　　當(dāng)為HEV設(shè)計(jì)功率模塊時(shí)，需在設(shè)計(jì)開始就明確關(guān)鍵的障礙。需采用恰當(dāng)?shù)钠骷夹g(shù)、底層布局和封裝技術(shù)以滿足性能、可靠性和成本目標(biāo)。表1顯示了三種模塊在性能和可靠性方面的對比，它們分別是：用于工業(yè)可變速驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)半橋62mm模塊、用于輕度混合的六單元（six-pack）HybridPACK1模塊（圖3）和用于全混合的六單元（six-pack）HybridPACK2模塊。

　　在全部三種模塊內(nèi)，都采用了相同的600V溝道FieldStop器件技術(shù)，但采用的封裝技術(shù)不同。62mm和 HybridPACK1模塊實(shí)現(xiàn)的器件電流是400A（每開關(guān)各有兩個(gè)200A IGBT和兩個(gè)200A二極管），而HybridPACK2模塊的電流是800A（每開關(guān)各有四個(gè)200A IGBT和四個(gè)200A二極管）。用于62 mm、HybridPACK1和HybridPACK2模塊功率和信號熱連接的封裝技術(shù)分別采用的是：焊接、線綁定和超聲波焊接。通過布局改良及采用線綁定的功率和信號熱連接，HybridPACK1模塊的功率密度已比62mm模塊提升了50%。雖然寄生感應(yīng)增加了50%，但對600V器件來說，這并非一個(gè)主要問題，因?yàn)樵谳p度混合應(yīng)用中最壞的系統(tǒng)電壓情況在200V以下。

　　通過創(chuàng)新的超聲波焊接工藝和改進(jìn)的布局，HybridPACK2模塊的功率密度增加了120%以上。多個(gè)線連接及為了移動(dòng)綁定工具分配的空間使線綁定熱連接在封裝內(nèi)很占空間；超聲波焊接則省去了該空間且速度也比線綁定工藝快。另外，線綁定的電流輸送能力有限。因厚的銅終端在超聲波焊接時(shí)與底層融固在一起，所以，超聲波焊接的電流載運(yùn)能力不受限制。更緊湊的封裝還顯著降低了HybridPACK2封裝的自感。對全混合應(yīng)用來說，因系統(tǒng)電壓會(huì)高于400V，且大電流會(huì)產(chǎn)生很大的dI/dt，所以低的寄生感應(yīng)很重要。

　　模塊的熱阻抗主要取決于每開關(guān)所占的芯片面積、模塊的材料堆疊及底層布局。材料堆疊特性直接影響模塊的熱阻抗，而布局則增加了交叉?zhèn)鲗?dǎo)部分。在62mm和HybridPACK1模塊中，采用了平的銅基層，而HybridPACK2則采用集成的針翅管（pin-finned）銅基層。對帶有平基層的模塊來說，需將導(dǎo)熱脂和散熱層的熱阻抗加起來以得到“從結(jié)到環(huán)境”的熱阻抗。借助拿掉了導(dǎo)熱脂層并直接將底層與針翅管基板焊接在一起，從而顯著改善了HybridPACK2模塊的熱阻抗表現(xiàn)。

　　模塊內(nèi)臨近材料的熱擴(kuò)展不匹配將使連接部位產(chǎn)生壓力形變并最終導(dǎo)致故障。最大的壓力產(chǎn)生在銅基板上為與底層焊接在一起所涂覆的焊料點(diǎn)上。為加強(qiáng)可靠性，模塊制造商傳統(tǒng)上采用氮化鋁底層與鋁硅碳化物基板的組合，此舉顯著增加了成本。為替代昂貴的鋁硅碳化物，英飛凌開發(fā)出采用銅基板和改進(jìn)的氧化鋁底層的HybridPACK1和HybridPACK2模塊。這種材料組合可滿足可靠性目標(biāo)要求，但成本卻降低了很多。汽車的可靠性目標(biāo)是從-40 °C到125 °C的1000次循環(huán)。

　　結(jié)論

　　功率模塊的性能、可靠性和成本是HEV市場增長的主要驅(qū)動(dòng)器。為降低成本，需降低功率模塊內(nèi)器件的功率密度和結(jié)溫度。英飛凌的溝道FieldStop IGBT和EmCon就是在增加結(jié)溫度的同時(shí)可降低導(dǎo)通和開關(guān)損耗的這樣一類器件。通過采用高效的功率器件和超聲波焊接技術(shù)可顯著改進(jìn)模塊的功率密度；同樣，采用集成的針翅管基層可改進(jìn)熱性能。改進(jìn)的氧化鋁底層和銅基板方法能以低成本為HybridPACK模塊提供最優(yōu)異的可靠性。對全混合應(yīng)用來說，HybridPACK2是一款優(yōu)異的模塊，它提供了高功率密度、低自感、低熱阻及最佳可靠性和最低成本。

　　作者：Sayeed Ahmed，HEV產(chǎn)品營銷經(jīng)理，是英飛凌科技有限公司

　　REFERENCES

　　1.McKinsey Company， “Drive — The future of Automotive Power，” 2006.

　　2.R. Amro et al， “Power Cycling at High Temperature Swings of Modules with Low Temperature Joining Technique，” ISPSD 2006， Naples.

　　3.T. Laska et al， “The Field Stop IGBT （FS IGBT） — A New Power Device Concept with a Great Improvement Potential，” Proceedings of the 12th ISPSD， pp.355-358， 2000.

　　4.P. Kanschat et al， “600V IGBT3： A Detailed Analysis of Outstanding Static and Dynamic Properties，” Proc. PCIM Europe， pp. 436-441， 2004.

　　5.A. Kawahashi et al， “A New-Generation Hybrid Electric Vehicle and its Supporting Power Semiconductor Devices，” Proceedings of 16th ISPSD， pp. 23-29， 2004.