功率器件在混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)中的應(yīng)用

混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)市場(chǎng)的增長(zhǎng)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(lái)的好處以及混合系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的可靠性。消費(fèi)者將混合汽車(chē)與標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)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。混合汽車(chē)增加的成本必須在擁有期間通過(guò)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(dòng)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(dòng)力汽車(chē)的分類(lèi)

在混合汽車(chē)驅(qū)動(dòng)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(duì)混合汽車(chē)進(jìn)行分類(lèi)?？杀环譃槲?micro)級(jí)、輕度(mild)級(jí)和完全(full)級(jí)的混合程度決定電機(jī)執(zhí)行的功能。該分類(lèi)還決定所需的功率級(jí)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(duì)一款特定車(chē)輛來(lái)說(shuō)，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(chē)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(dòng)-停止功能時(shí)(例如旅行車(chē)場(chǎng)合)，用一個(gè)集成起動(dòng)器/交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)代替了起動(dòng)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(jí)相對(duì)較低，其油耗的改進(jìn)在10%左右。

除啟動(dòng)-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(dòng)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(chē)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(duì)升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，是從低的電池電壓到高的逆變器輸入電壓；對(duì)降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)是從高壓電池到低壓電池)。因在該能量轉(zhuǎn)換中，要對(duì)高壓和大電流進(jìn)行開(kāi)關(guān)，所以需采用具有最低損耗的功率器件技術(shù)。對(duì)較低的系統(tǒng)電壓和電流來(lái)說(shuō)，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(duì)輕度混合應(yīng)用來(lái)說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)電壓高于120V時(shí)，IGBT是首選器件。對(duì)全混合應(yīng)用來(lái)說(shuō)，600V到1200V的IGBT是使用的唯一器件。

一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的NPT IGBT在導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗特性間有一個(gè)平衡。若導(dǎo)通損耗降低則開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗。通過(guò)采用一個(gè)場(chǎng)截止(fieldstop)層來(lái)得到更低損耗，該層減小了器件厚度并降低了通過(guò)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(dòng)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(chē)內(nèi)產(chǎn)生的振動(dòng)帶來(lái)可靠性挑戰(zhàn)。在混合汽車(chē)應(yīng)用中功率模塊預(yù)期的使用壽命是15年/15萬(wàn)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(huì)對(duì)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(huì)在線(xiàn)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(lái)優(yōu)化性能、可靠性和成本。

混合車(chē)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(duì)模塊的寄生感應(yīng)產(chǎn)生很大影響，它們也可被用來(lái)改進(jìn)功率密度。另外，選擇的材料也會(huì)對(duì)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(kāi)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(mǎn)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(duì)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(kāi)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(kāi)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(hào)熱連接的封裝技術(shù)分別采用的是：焊接、線(xiàn)綁定和超聲波焊接。通過(guò)布局改良及采用線(xiàn)綁定的功率和信號(hào)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(duì)600V器件來(lái)說(shuō)，這并非一個(gè)主要問(wèn)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(guò)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(xiàn)連接及為了移動(dòng)綁定工具分配的空間使線(xiàn)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(xiàn)綁定工藝快。另外，線(xiàn)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(duì)全混合應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(kāi)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(duì)帶有平基層的模塊來(lái)說(shuō)，需將導(dǎo)熱脂和散熱層的熱阻抗加起來(lái)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(kāi)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(mǎn)足可靠性目標(biāo)要求，但成本卻降低了很多。汽車(chē)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(chǎng)增長(zhǎng)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(kāi)關(guān)損耗的這樣一類(lèi)器件。通過(guò)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(duì)全混合應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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。

REFERENCES

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