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

針對(duì)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)輛設(shè)計(jì)，逆變器可能放置在汽車(chē)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?chē)?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(chē)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(chē)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(chē)輛立刻失去動(dòng)力，嚴(yán)重影響整車(chē)廠商信譽(yù)和用戶(hù)使用體驗(yàn)。

汽車(chē)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(chē)整車(chē)設(shè)計(jì)壽命15年)。

成本控制要求

大規(guī)模生產(chǎn)的汽車(chē)不同于列車(chē)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(chē)應(yīng)用中各種限制條件，需要專(zhuān)用IGBT才能滿(mǎn)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(xiàn)(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(chē)級(jí)IGBT可靠性改進(jìn)

可靠性是IGBT應(yīng)用于汽車(chē)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(chē)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(xiàn)也會(huì)隨之?dāng)[動(dòng)，對(duì)綁定線(xiàn)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(xiàn)壽命的耗盡(EOL， End of Life)，例如綁定線(xiàn)和IGBT芯片焊接脫落、綁定線(xiàn)斷裂等，直接導(dǎo)致IGBT的損壞。



為了模擬汽車(chē)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(xiàn)的焊接可靠性，英飛凌汽車(chē)級(jí)IGBT需要承受ΔTj=60k，最大節(jié)溫150℃，0.5s < tcycl<5s，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(chē)(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(xiàn)材料改進(jìn);

● 芯片結(jié)構(gòu)加強(qiáng);

● 綁定線(xiàn)連接回路優(yōu)化;

● 優(yōu)化后的焊接工藝。

溫度循環(huán)

逆變器在HEV中，通常位于前艙靠近發(fā)動(dòng)機(jī)或位于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)附近，IGBT模塊將承受較高的環(huán)境溫度和溫度變化，對(duì)IGBT模塊內(nèi)部焊接層有較大影響。



IGBT模塊由多層不同材料組成(見(jiàn)圖3)，每種材料具有不同的CTE(熱膨脹系數(shù))，CTE的差別會(huì)影響功率模塊的使用壽命，當(dāng)模塊使用時(shí)，溫度的變化會(huì)在不同層間產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力而導(dǎo)致焊接脫落，我們的目標(biāo)是選用熱膨脹系數(shù)差別盡可能小的材料來(lái)進(jìn)行焊接組合。但另一方面，即使它們的熱膨脹系數(shù)十分匹配，因?yàn)椴牧媳旧淼某杀究赡軙?huì)太高，或者在生產(chǎn)過(guò)程中難以被加工或加工成本太高。例如列車(chē)牽引應(yīng)用中的AlSiC基板。熱膨脹系數(shù)和襯底幾乎相同，因此有更好的熱循環(huán)特性。但對(duì)混合動(dòng)力車(chē)應(yīng)用因成本過(guò)高而很難被接受。

英飛凌通過(guò)改進(jìn)后的Al2O3陶瓷基片技術(shù)，在不大幅度增加成本的前提下，同樣可以達(dá)到混合動(dòng)力汽車(chē)中熱循環(huán)次數(shù)的要求。

通常IGBT模塊通過(guò)被動(dòng)溫度循環(huán)(Thermal Cycling)加速測(cè)試焊接可靠性，對(duì)于汽車(chē)級(jí)IGBT，英飛凌定義更嚴(yán)酷的熱沖擊試驗(yàn)(TST，Thermal Shock Test)，相對(duì)TC試驗(yàn)有更大的溫度變化范圍，-40℃～+125℃，1000次循環(huán)(普通工業(yè)模塊TST只需50次)。



按照英飛凌計(jì)算方式，汽車(chē)級(jí)IGBT模塊壽命為工業(yè)級(jí)2.5倍，為牽引級(jí)1/4，可滿(mǎn)足汽車(chē)全壽命使用無(wú)需更換模塊要求，又很好地平衡了成本。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)

除了對(duì)上述IGBT內(nèi)部封裝工藝的改進(jìn)，英飛凌汽車(chē)級(jí)IGBT還對(duì)IGBT外殼和接線(xiàn)端子進(jìn)行了增強(qiáng)，包括溫度特性和機(jī)械結(jié)構(gòu)特性的加強(qiáng)，以應(yīng)對(duì)汽車(chē)嚴(yán)酷的應(yīng)用環(huán)境，例如以下幾個(gè)方面。

(1)溫度特性加強(qiáng)。相較通常工業(yè)應(yīng)用，汽車(chē)內(nèi)IGBT需要承受較高的溫度沖擊，如果IGBT的外殼材料不夠堅(jiān)固，將會(huì)在溫度沖擊下斷裂損壞，英飛凌汽車(chē)級(jí)IGBT需在熱沖擊試驗(yàn)-40℃～+125℃ 1000次下完好無(wú)損。通過(guò)塑料材料和優(yōu)化的工藝參數(shù)，改進(jìn)后的IGBT外殼可靠性大大增強(qiáng)。

(2)結(jié)構(gòu)特性加強(qiáng)。在HEV中，IGBT震動(dòng)大大超過(guò)普通工業(yè)模塊，外殼和端子將承受較大的機(jī)械沖擊，英飛凌汽車(chē)級(jí)IGBT可以承受超過(guò)5g的機(jī)械振動(dòng)和超過(guò)30g的機(jī)械沖擊。

英飛凌汽車(chē)級(jí)IGBT產(chǎn)品

為滿(mǎn)足汽車(chē)級(jí)應(yīng)用，英飛凌對(duì)推出HEV專(zhuān)用的IGBT模塊，包括2款產(chǎn)品：

● HybridPACK1—400A/650V IGBT 6單元，針對(duì)電機(jī)功率20kW~30kW左右的輕度混合動(dòng)力汽車(chē);

● HybridPACK2—800A/650V IGBT 6單元，針對(duì)電機(jī)功率80kW左右的的全混合動(dòng)力車(chē)。

主要的產(chǎn)品特點(diǎn)：

● 6單元IGBT簡(jiǎn)化逆變器設(shè)計(jì);

● 工作結(jié)溫為150℃，最大節(jié)溫175℃;

● IGBT技術(shù);

● 改進(jìn)后的綁定線(xiàn)工藝;

● 改進(jìn)后的陶瓷基片增加焊接可靠性;

● 6 NTC;

● 改進(jìn)后的綁定線(xiàn)工藝;

● 改進(jìn)后的陶瓷基片增加焊接可靠性;

● 直接水冷系統(tǒng)，提升模塊散熱能力。

結(jié)論

隨著功率器件在汽車(chē)中越來(lái)越多地應(yīng)用，對(duì)可靠性提出了更高的要求， 例如本文描述的功率循環(huán)和溫度循環(huán)特性。針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用，英飛凌推出的汽車(chē)級(jí)IGBT模塊具有高可靠性、長(zhǎng)壽命、適中成本的特點(diǎn)，只有在混合動(dòng)力汽車(chē)應(yīng)用需要專(zhuān)用的功率半導(dǎo)體模塊，才能保證核心零部件的可靠性，直接關(guān)系著混合動(dòng)力車(chē)的成功與否。

參考文獻(xiàn)：

[1]Thoben M,Mainka K,Bayerer R,et al.From vehicle drive cycle to reliability testing of power modules for hybrid vehicle inverter

[2]Graf I, Münzer M N.Semiconductors in hybrid drives applications - A survey lecture

[3]Jadhav V,Volke A.New design consideration of power semiconductors in hybrid electric vehicle

[4]Schütze T.Power and thermal cycling capability

[5]Schütze T.Thermal equivalent circuit models