汽車級IGBT在混合動力車中的設計應用

針對汽車功率模塊需求，英飛凌通過增強IGBT的功率循環(huán)和溫度循環(huán)特性，并增加IGBT結構強度，大大提高了IGBT的壽命預期。





混合動力車輛中功率半導體模塊的要求

工作環(huán)境惡劣(高溫、振動)

IGBT位于逆變器中，需要在高環(huán)境溫度及機械沖擊下，按照特定的汽車驅動工況，為混合系統(tǒng)的電機提供能量。

根據(jù)不同車輛設計，逆變器可能放置在汽車尾箱、變速箱內或引擎蓋下靠近內燃機的位置，因此IGBT模塊要經(jīng)受嚴峻的溫度(-40℃～150℃)和機械條件(振動、沖擊)的考驗。

IGBT模塊通常采用發(fā)動機冷卻液冷卻，環(huán)境溫度在極限情況下可達Ta=105℃，對功率模塊的功率密度及散熱設計提出了更高的要求。

復雜的驅動工況

不同于工業(yè)應用中電機拖動，混合動力車輛驅動工況更復雜，例如對應城市工況，需要頻繁切換于加速、減速、巡航各個狀態(tài)，因此通過IGBT的電流、電壓并非常量，而是隨車輛工況反復循環(huán)波動，IGBT模塊需要在電流、電壓循環(huán)沖擊下可靠運行。

高可靠性要求

IGBT功率模塊失效將會導致車輛立刻失去動力，嚴重影響整車廠商信譽和用戶使用體驗。

汽車生產(chǎn)廠家需要IGBT模塊在HEV全壽命周期中無需更換，對IGBT的耐久性提出了更高要求(汽車整車設計壽命15年)。

成本控制要求

大規(guī)模生產(chǎn)的汽車不同于列車牽引應用，在性能要求很高的條件下，不能通過增加成本的方法換取可靠性，需要在成本和性能上達到平衡，對產(chǎn)品的設計提出了更高的要求。因此，針對汽車應用中各種限制條件，需要專用IGBT才能滿足苛刻的應用需求。

IGBT結構

圖3顯示了帶基板的功率模塊的結構。兩側都帶薄銅層的陶瓷襯底被焊接在基板上。IGBT芯片被焊在設計好的銅層上。芯片的表面通過綁定線(bonding wire)壓焊到銅層上。大多數(shù)標準模塊采用這種制作方法。目前70%到80%的功率模塊都按照標準模塊結構來制造。陶瓷一般采用Al2O3，基板采用銅為材料。IGBT底板通過導熱硅脂安裝散熱器。



英飛凌汽車級IGBT可靠性改進

可靠性是IGBT應用于汽車中的最大挑戰(zhàn)，除了電壓、電流等常規(guī)參數(shù)的設計考慮，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機械可靠性特性也需要額外的關注。

功率循環(huán)

通常，逆變器設計主要考慮IGBT Tjmax(最高結溫)的限制，但在混合動力車應用中，逆變器較少處于恒定工況，加速、巡航、減速都會帶來電流、電壓的改變，由此帶來的ΔTj(結溫快速變化)將會更大程度影響IGBT的壽命，IGBT導通電流波動時，綁定線也會隨之擺動，對綁定線和IGBT芯片連接可靠性有較大的影響，反復的擺動可能導致綁定線壽命的耗盡(EOL， End of Life)，例如綁定線和IGBT芯片焊接脫落、綁定線斷裂等，直接導致IGBT的損壞。



為了模擬汽車運行工況，針對HEV頻繁的加速、減速、巡航帶來的電流沖擊，英飛凌定義了“秒級功率循環(huán)試驗”(power cycling second，電流加熱，外部水冷冷卻)，通過加速老化試驗，模擬電氣沖擊下綁定線的焊接可靠性，英飛凌汽車級IGBT需要承受ΔTj=60k，最大節(jié)溫150℃，0.5s tcycl5s，150kc次功率循環(huán)而不損壞。

相對于傳統(tǒng)工業(yè)應用，混合動力車(HEV)中的IGBT工作環(huán)境惡劣，因而對IGBT長期使用的可靠性提出了更高的要求。

相對傳統(tǒng)工業(yè)模塊主要有以下幾點改進：

● 綁定線材料改進;

● 芯片結構加強;

● 綁定線連接回路優(yōu)化;

● 優(yōu)化后的焊接工藝。