汽车级IGBT在混合动力车中的设计应用

汽车级IGBT在混合动力车中的设计应用

针对汽车功率模块需求，英飞凌通过增强IGBT的功率循环和温度循环特性，并增加IGBT结构强度，大大提高了IGBT的寿命预期。





混合动力车辆中功率半导体模块的要求

工作环境恶劣(高温、振动)

IGBT位于逆变器中，需要在高环境温度及机械冲击下，按照特定的汽车驱动工况，为混合系统的电机提供能量。

根据不同车辆设计，逆变器可能放置在汽车尾箱、变速箱内或引擎盖下靠近内燃机的位置，因此IGBT模块要经受严峻的温度(-40℃～150℃)和机械条件(振动、冲击)的考验。

IGBT模块通常采用发动机冷却液冷却，环境温度在极限情况下可达Ta=105℃，对功率模块的功率密度及散热设计提出了更高的要求。

复杂的驱动工况

不同于工业应用中电机拖动，混合动力车辆驱动工况更复杂，例如对应城市工况，需要频繁切换于加速、减速、巡航各个状态，因此通过IGBT的电流、电压并非常量，而是随车辆工况反复循环波动，IGBT模块需要在电流、电压循环冲击下可靠运行。

高可靠性要求

IGBT功率模块失效将会导致车辆立刻失去动力，严重影响整车厂商信誉和用户使用体验。

汽车生产厂家需要IGBT模块在HEV全寿命周期中无需更换，对IGBT的耐久性提出了更高要求(汽车整车设计寿命15年)。

成本控制要求

大规模生产的汽车不同于列车牵引应用，在性能要求很高的条件下，不能通过增加成本的方法换取可靠性，需要在成本和性能上达到平衡，对产品的设计提出了更高的要求。因此，针对汽车应用中各种限制条件，需要专用IGBT才能满足苛刻的应用需求。

IGBT结构

图3显示了带基板的功率模块的结构。两侧都带薄铜层的陶瓷衬底被焊接在基板上。IGBT芯片被焊在设计好的铜层上。芯片的表面通过绑定线(bonding wire)压焊到铜层上。大多数标准模块采用这种制作方法。目前70%到80%的功率模块都按照标准模块结构来制造。陶瓷一般采用Al2O3，基板采用铜为材料。IGBT底板通过导热硅脂安装散热器。



英飞凌汽车级IGBT可靠性改进

可靠性是IGBT应用于汽车中的最大挑战，除了电压、电流等常规参数的设计考虑，涉及IGBT可靠性的主要参数有：温度循环次数(thermal cycling)和功率循环次数(power cycling)，决定了IGBT的使用寿命，其他参数例如IGBT机械可靠性特性也需要额外的关注。

功率循环

通常，逆变器设计主要考虑IGBT Tjmax(最高结温)的限制，但在混合动力车应用中，逆变器较少处于恒定工况，加速、巡航、减速都会带来电流、电压的改变，由此带来的ΔTj(结温快速变化)将会更大程度影响IGBT的寿命，IGBT导通电流波动时，绑定线也会随之摆动，对绑定线和IGBT芯片连接可靠性有较大的影响，反复的摆动可能导致绑定线寿命的耗尽(EOL， End of Life)，例如绑定线和IGBT芯片焊接脱落、绑定线断裂等，直接导致IGBT的损坏。



为了模拟汽车运行工况，针对HEV频繁的加速、减速、巡航带来的电流冲击，英飞凌定义了“秒级功率循环试验”(power cycling second，电流加热，外部水冷冷却)，通过加速老化试验，模拟电气冲击下绑定线的焊接可靠性，英飞凌汽车级IGBT需要承受ΔTj=60k，最大节温150℃，0.5s < tcycl<5s，150kc次功率循环而不损坏。

相对于传统工业应用，混合动力车(HEV)中的IGBT工作环境恶劣，因而对IGBT长期使用的可靠性提出了更高的要求。

相对传统工业模块主要有以下几点改进：

● 绑定线材料改进;

● 芯片结构加强;

● 绑定线连接回路优化;

● 优化后的焊接工艺。

温度循环

逆变器在HEV中，通常位于前舱靠近发动机或位于传动机构附近，IGBT模块将承受较高的环境温度和温度变化，对IGBT模块内部焊接层有较大影响。



IGBT模块由多层不同材料组成(见图3)，每种材料具有不同的CTE(热膨胀系数)，CTE的差别会影响功率模块的使用寿命，当模块使用时，温度的变化会在不同层间产生机械应力而导致焊接脱落，我们的目标是选用热膨胀系数差别尽可能小的材料来进行焊接组合。但另一方面，即使它们的热膨胀系数十分匹配，因为材料本身的成本可能会太高，或者在生产过程中难以被加工或加工成本太高。例如列车牵引应用中的AlSiC基板。热膨胀系数和衬底几乎相同，因此有更好的热循环特性。但对混合动力车应用因成本过高而很难被接受。

英飞凌通过改进后的Al2O3陶瓷基片技术，在不大幅度增加成本的前提下，同样可以达到混合动力汽车中热循环次数的要求。

通常IGBT模块通过被动温度循环(Thermal Cycling)加速测试焊接可靠性，对于汽车级IGBT，英飞凌定义更严酷的热冲击试验(TST，Thermal Shock Test)，相对TC试验有更大的温度变化范围，-40℃～+125℃，1000次循环(普通工业模块TST只需50次)。



按照英飞凌计算方式，汽车级IGBT模块寿命为工业级2.5倍，为牵引级1/4，可满足汽车全寿命使用无需更换模块要求，又很好地平衡了成本。

机械结构的加强

除了对上述IGBT内部封装工艺的改进，英飞凌汽车级IGBT还对IGBT外壳和接线端子进行了增强，包括温度特性和机械结构特性的加强，以应对汽车严酷的应用环境，例如以下几个方面。

(1)温度特性加强。相较通常工业应用，汽车内IGBT需要承受较高的温度冲击，如果IGBT的外壳材料不够坚固，将会在温度冲击下断裂损坏，英飞凌汽车级IGBT需在热冲击试验-40℃～+125℃ 1000次下完好无损。通过塑料材料和优化的工艺参数，改进后的IGBT外壳可靠性大大增强。

(2)结构特性加强。在HEV中，IGBT震动大大超过普通工业模块，外壳和端子将承受较大的机械冲击，英飞凌汽车级IGBT可以承受超过5g的机械振动和超过30g的机械冲击。

英飞凌汽车级IGBT产品

为满足汽车级应用，英飞凌对推出HEV专用的IGBT模块，包括2款产品：

● HybridPACK1—400A/650V IGBT 6单元，针对电机功率20kW~30kW左右的轻度混合动力汽车;

● HybridPACK2—800A/650V IGBT 6单元，针对电机功率80kW左右的的全混合动力车。

主要的产品特点：

● 6单元IGBT简化逆变器设计;

● 工作结温为150℃，最大节温175℃;

● IGBT技术;

● 改进后的绑定线工艺;

● 改进后的陶瓷基片增加焊接可靠性;

● 6 NTC;

● 改进后的绑定线工艺;

● 改进后的陶瓷基片增加焊接可靠性;

● 直接水冷系统，提升模块散热能力。

结论

随着功率器件在汽车中越来越多地应用，对可靠性提出了更高的要求， 例如本文描述的功率循环和温度循环特性。针对汽车应用，英飞凌推出的汽车级IGBT模块具有高可靠性、长寿命、适中成本的特点，只有在混合动力汽车应用需要专用的功率半导体模块，才能保证核心零部件的可靠性，直接关系着混合动力车的成功与否。

参考文献：

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[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