用于電動汽車的功率半導(dǎo)體模塊設(shè)計(jì)

　　汽車行業(yè)目前正在經(jīng)歷一個重大的技術(shù)變革時(shí)期，這已經(jīng)是個不爭的事實(shí)。過去100多年里，內(nèi)燃機(jī)引擎中都在使用燃油泵和活塞，而現(xiàn)在正在被鋰離子電池、逆變器和IGBT所取代。簡言之，汽車正在變得更加電子化。汽車的第一次電子化可能僅僅被看作是增加其電子含量的演練，或在適應(yīng)現(xiàn)有的非汽車系統(tǒng)(如高壓工業(yè)驅(qū)動器)，最終適應(yīng)汽車中的應(yīng)用。然后，采用這種方法將會大大低估可能面臨的挑戰(zhàn)。在功率和電壓等級方面，就目前的相似度而言，它們都與相關(guān)的工業(yè)離線應(yīng)用類似。在汽車世界里，空間和重量都受到限制，而且環(huán)境也很惡劣，0ppm(ppm=不合格品個數(shù)*1000000/批量)質(zhì)量至關(guān)重要，而讓問題變得更加嚴(yán)重的是，純電動車(EV)中的能源供應(yīng)是有限的，因此效率就成為關(guān)鍵所在。所以，我們還不能忽略對于低成本系統(tǒng)的需求，要與內(nèi)燃機(jī)引擎(在過去幾十年里，這一技術(shù)在魯棒性、可靠性和出色的功率密度方面進(jìn)行了優(yōu)化)進(jìn)行競爭。這是一個新興的市場，需要專門基于這一因素開發(fā)半導(dǎo)體解決方案!

　　在眾多電動汽車中，需求最多的便是主逆變器，在這里，采用專門針對應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)的芯片和封裝解決方案至關(guān)重要。在(H)EV發(fā)展早期，普遍采用工業(yè)“磚”型模塊(這些最初是設(shè)計(jì)用于工業(yè)離線應(yīng)用)，因此對于汽車的功率密度以及有限結(jié)構(gòu)因數(shù)的限制基本沒有考慮。它們一般包括IGBT和二極管，額定電壓為600V或1200V，結(jié)溫最高達(dá)到150℃。在室溫范圍內(nèi)，短路保護(hù)性能限制在6μs.在汽車世界中，一個重要的因數(shù)是工作溫度范圍，其最低可以達(dá)到-40℃，在更低的溫度下，IGBT和二極管的BV(擊穿電壓)下降，器件處理電壓峰值時(shí)，潛在的會帶來一些問題。為此，采用具有更高BV的功率元件將會受益，CooliRIGBT Gen 2平臺便是一個示例。

　　超薄晶體IGBT技術(shù)，額定電壓為680V，24A至600A的芯片尺寸，在-40℃溫度，最低600V的BV下，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的Vce(on)性能。與此相配合的性能主要針對在175℃的結(jié)溫下運(yùn)行的器件，不止限制時(shí)間量(如一些替代技術(shù))，而且溫度始終為175℃。因?yàn)榫哂懈叩腂V的緣故，更高的電壓峰值可以適應(yīng)系統(tǒng)，因此降低了對于高成本解決方案的需求，這可以限制電感，又或者，系統(tǒng)的確可以更快的轉(zhuǎn)換，獲得更多的優(yōu)勢，如降低電機(jī)尺寸。與器件的主逆變器的保護(hù)相關(guān)的高功率水平顯然是非常重要的，對于這種高溫環(huán)境下開關(guān)的短路保護(hù)性能同樣也非常重要。CooliRIGBT器件能夠針對性能平衡進(jìn)行優(yōu)化，但是一般是設(shè)計(jì)用于處在150℃，至少6μs的短路保護(hù)時(shí)間。保護(hù)特性通過芯片上的電流感應(yīng)最終完成。圖1總結(jié)了新的IGBT平臺的一些特性。

　　圖1：CooliR IGBT和CooliR二極管特性的總結(jié)

　　為了保證最佳的系統(tǒng)效率，必須采用一個適當(dāng)?shù)亩O管與IGBT相搭配。圖1還介紹了CooliRDIODE Gen 2，這是一款超薄芯片，680V的超快速軟件恢復(fù)二極管，提供了無振鈴性能。Err和Vf根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行平衡，很重要的一點(diǎn)是認(rèn)識到針對空調(diào)應(yīng)用，Err和Vf的平衡將與主逆變器的需要有所不同。最終，24至600A的二極管系列，都根據(jù)典型的應(yīng)用，在每個電流水平上得到優(yōu)化。近年來，對于稀土金屬供應(yīng)及成本的關(guān)注不斷增加，促使電機(jī)廠商不得不尋求替代解決方案。電機(jī)變得更小型、更輕巧，而且同時(shí)還需要15~20kHz的頻率范圍(傳統(tǒng)頻率為5-10kHz)，這種情況現(xiàn)在變得越來越普遍。與此相對應(yīng)，這需要具有優(yōu)異的高速度開關(guān)性能的IGBT和二極管，以保證開關(guān)損耗不會變得不可管理。更高的頻率還意味著必須把關(guān)注點(diǎn)放在寄生電感、特別是封裝上面。

　　在功率半導(dǎo)體的早期，對于研發(fā)投入大量資金的關(guān)注點(diǎn)是提高芯片的性能。隨著半導(dǎo)體技術(shù)變得越來越好，關(guān)注的重點(diǎn)也開始轉(zhuǎn)移到封裝上面。封裝畢竟是影響系統(tǒng)的一個因素——無論從電子方面還是散熱方面上。圖2總結(jié)了封裝能夠?qū)ο到y(tǒng)產(chǎn)生的影響——從根本上講，如果放置在一個較差的封裝中，系能優(yōu)異的半導(dǎo)體器件僅能實(shí)現(xiàn)極少的價(jià)值。

　　圖2：半導(dǎo)體封裝對于功率電子系統(tǒng)的影響