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(guān)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(guān)幾百安培的大電流，需要采用這種類型的功率開關(guān)。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(shù)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(cè)，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(shù)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(jié)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(guān)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(guān)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(guān)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(shù)。將結(jié)實耐用的前面金屬層置于我們的硅開關(guān)（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(guān)。直接封裝（Direct-Packages）具備出色的開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(jié)（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(guān)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(guān)性能的標桿。更高電壓的快速開關(guān)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(jié)器件而言，WARP speed IGBT可以更出色的性價比實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率。新一代汽車WARP speed IGBT可滿足100kHz以上的開關(guān)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。