混合動力電動車應用中大功率器件的五大要素

　　盡管標準內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車可以相對輕松地從12V電池供電和相應的12V/14V交流發(fā)電機獲取車載系統(tǒng)的電氣需求，但由于混合動力電動汽車采用了幾個系統(tǒng)，它們需要更高的功率級別。對于輕混、全混、插電式混合動力汽車或純電動汽車而言，耗能最多的組件是電機驅(qū)動裝置。該裝置需要在沒有內(nèi)燃機支持的情況下，至少在一定時間內(nèi)有效驅(qū)使車輛行進。為在不損失阻性連接通道上大部分電能條件下，為數(shù)十千瓦至上百千瓦的大功率電機供電，大電流路徑需要實現(xiàn)更高的電壓（范圍為600V至1200V）。但即使在如此之高的電壓條件下，所需的電流水平也不過為幾百安培。
　　高壓電網(wǎng)的引入，使汽車行業(yè)開始采用兩個全新的功率密集型產(chǎn)品：將直流轉(zhuǎn)換成交流以驅(qū)動電機的DC-AC逆變器，以及在高壓電網(wǎng)和12V電網(wǎng)之間實現(xiàn)電能交換的DC-DC 轉(zhuǎn)換器。混合動力汽車仍然需要12V電網(wǎng)，因為多數(shù)標準汽車電子系統(tǒng)都采用12V電源。
　　如前所述，換流器和轉(zhuǎn)換器需要管理幾千瓦的功率，因此需要配備優(yōu)化半導體器件和高級封裝的十分復雜的高效電子裝置。專注功率管理的國際整流器（IR）公司因此認為這種半導體平臺要滿足這些全新高功率電子系統(tǒng)的要求需具備下述性能：
　　1） 在各種應用中具備更高能效；
　　2） 更高的載流能力，在600V至1200V典型電壓條件下，載流能力為100A至300A；
　　3） 更出色的機械和電氣性能，確保能夠經(jīng)受惡劣的汽車環(huán)境，同時滿足防失效設計的所有安全和保護要求；
　　4）更低的電磁干擾和寄生電感，由于開關大電流和高壓會產(chǎn)生極強的電磁場，包括傳導或傳遞噪聲/電磁干擾、過壓尖峰和對汽車敏感電子裝置造成影響的其他干擾等。
　　下文詳細探討圖1所示的可解決上述問題的5個主要平臺元素：　

　　圖1：滿足混合動力電動汽車的功率管理需求的五大“必備要素”。
　　1. 高效的高壓IGBT：在電壓范圍為600V至1200V條件下，要想高效地開關幾百安培的大電流，需要采用這種類型的功率開關。相對于MOSFET而言，世界一流的溝槽型IGBT在這些高壓條件下能效更高。這些器件在極高的電流密度條件下，具備極低的導通電阻。如果采用標準引線鍵合封裝，其性能將會極大地受到這種傳統(tǒng)裝配技術的限制。因此IR公司采用專利的可焊正面金屬工藝，使IGBT能夠被焊接在兩側，從而徹底避免在換流器或轉(zhuǎn)換器模塊中使用引線鍵合。該解決方案可解決上文所述的兩個以上的問題：由于避免了“鍵合引線脫落”這種典型的故障模式，無引線鍵合裝配的可靠性和穩(wěn)健性大幅提高。潛在的故障機制是焊劑磨損殆盡，但這需要很長的時間和很高的應力。采用這種技術的模塊廠商可使用更小的器件——相對于一流的引線鍵合裝配解決方案，可在更高溫度條件下運行，并能夠承受更寬的溫度變化。圖2顯示的是高級無引線鍵合裝配的應力測試典型結果。

　　圖2：采用基于專利陶瓷的定制封裝的引線鍵合IGBT，與無引線鍵合雙面焊接IGBT的功率循環(huán)的比較。左圖和右圖顯示不同的溫度應力剖面，每個豎條代表一種被測器件。
　　除提高穩(wěn)健性外，采用前面可焊金屬的器件還能改善其他問題，包括寄生電感、產(chǎn)生噪聲的振鈴以及大電流開關帶來的電磁干擾等。通過實現(xiàn)雙面焊接連接，感應率被降至最低或者完全消失。事實證明，IR公司的無引線鍵合器件相對于任何標準的引線鍵合或塑料封裝器件，具備更出色的開關性能。例如，圖3為IR公司的專利DirectFET封裝與引線鍵合塑料封裝器件的快速開關性能比較。

圖3：IR公司的專有無引線鍵合DirectFET封裝，可降低寄生電感和振鈴，明確具備更出色的電磁干擾性能。
　　2. 先進的封裝是高效電源管理平臺的另一個重要的因素。如上文所述，IR公司針對汽車行業(yè)推出了十分先進的封裝技術。將結實耐用的前面金屬層置于我們的硅開關（MOSFET、IGBT）上，使我們能夠?qū)o引線鍵合的芯片級功率封裝應用于所有功率開關。直接封裝（Direct-Packages）具備出色的開關性能、基本為零的寄生電感、更強的機械可靠性和魯棒性——原因是避免了引線鍵合，還能實現(xiàn)芯片雙面散熱。如果一面有引線鍵合是無法實現(xiàn)雙面散熱的。這些封裝解決了上文所述的主要問題，使客戶能夠設計出創(chuàng)新的控制裝置和電源模塊。
　　3. 快速開關器件也是混合動力電動汽車應用一個十分重要的需求。盡管電機驅(qū)動變頻器的典型開關頻率為6 kHz 至10kHz，但DC-DC 轉(zhuǎn)換器或其他電池充電裝置通常具備更高的頻率范圍（100kHz至200kHz），以提高降壓/升壓轉(zhuǎn)換器效率，并縮小這些系統(tǒng)中的無源組件（電感器/電容器）的尺寸。不幸的是，基于其雙極器件物理特征，IGBT可在10KHz開關頻率下達到最理想的性能，但在100kHz以上的高頻條件下，需采用特殊的MOSFET、CoolMOS或超結（Super Junction）器件。不過，這些器件都有缺點，例如極高的成本和有限的穩(wěn)健性等。IR公司的汽車產(chǎn)品組合，提供了以更低的成本和出色的開關性能解決這些問題的替代解決方案。IR公司的汽車用DirectFET，設立了電壓高達250V的快速開關性能的標桿。更高電壓的快速開關產(chǎn)品，需要采用IR公司的專有WARP speed IGBT。相比典型的高壓超結器件而言，WARP speed IGBT可以更出色的性價比實現(xiàn)更高的開關頻率。新一代汽車WARP speed IGBT可滿足100kHz以上的開關頻率要求，因此是混合動力電動汽車的大功率DC-DC 轉(zhuǎn)換器的理想解決方案。