用于HEV/EV輔助系統(tǒng)的小功率模塊

針對 HEV/EV輔助系統(tǒng)，英飛凌推出了 easy module系列汽車級 IGBT功率模塊，不僅可以有效較低系統(tǒng)功耗，而且能夠確保在汽車全壽命范圍內(nèi)IGBT模塊安全可靠地工作。

• HEV/EV對輔助系統(tǒng)的要求

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車中，電氣系統(tǒng)所需的電力通常源自12 V蓄電池，在帶動一些大型負(fù)載時通常功耗較大。如圖 1 所示，這些大型負(fù)載如空調(diào)壓縮機(jī)、油泵、冷卻泵、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和加熱器等輔助系統(tǒng)。相比而言，混合動力/電動車（HEV/EV）因為集成了高壓電池（通常是144 V 或336 V），將上述輔助系統(tǒng)電源從12 V總線接入高壓總線，相同功率情況下能有效降低系統(tǒng)功耗。通常這些輔助系統(tǒng)或負(fù)載的功率范圍在 1～6 kW之間。另外，利用高壓驅(qū)動這些系統(tǒng)，可降低驅(qū)動電流，從而獲得巨大的成本優(yōu)勢（通過減小電纜直徑和電動機(jī)的銅用量）。

幾個典型的應(yīng)用：

1）DC/DC轉(zhuǎn)換器

傳統(tǒng)能源汽車ECU低壓總線的供電（12 V）來源于汽油發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，而在HEV/EV中，因為有高壓電池組（144 V或336 V），同時EV中沒有發(fā)動機(jī)，因此通常需要增加一個DC/DC轉(zhuǎn)換器將高壓336 V轉(zhuǎn)換到12 V，給ECU系統(tǒng)及輔助負(fù)載供電。根據(jù)車型對負(fù)載的需求不同，DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率范圍通常為2～3 kW。

2）電動機(jī)

HEV內(nèi)部有不少電動機(jī)負(fù)載，這些2～3 kW的電動機(jī)工作在 12 V電壓下，工作電流

通常為50～100 A，需要低壓大電流的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），而如果將電動機(jī)接在 336 V總線上，采用30 A級別的IGBT就能滿足系統(tǒng)要求，可大大降低系統(tǒng)損耗。

3）空調(diào)加熱器

HEV/EV空調(diào)的制熱模式不同于傳統(tǒng)能源汽車。傳統(tǒng)能源汽車?yán)冒l(fā)動機(jī)熱源制熱，不

需要額外的熱源，而HEV/EV通常采用IGBT驅(qū)動空調(diào)加熱器制熱，增加了額外的損耗。另外，因為需要較大的電流驅(qū)動空調(diào)，因此對相關(guān)驅(qū)動器件的散熱和保護(hù)也有更高的要求。

• 汽車級小功率模塊

針對HEV/EV輔助系統(tǒng)，英飛凌推出了easy module系列汽車級IGBT功率模塊，包括兩種封裝：easy 1B（1～3 kW），easy 2B（1～6 kW），如圖2所示。

easy module系列汽車級IGBT功率模塊的主要優(yōu)勢如下：

- 提供多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以靈活滿足包括DC/DC轉(zhuǎn)換器、電動機(jī)、空調(diào)加熱器等多

種應(yīng)用的需求

- Press fit工藝大大降低了產(chǎn)品生產(chǎn)時人工成本和失效率

- HS3 IGBT芯片能支持100 kHz以上開關(guān)頻率

- 汽車級認(rèn)證及相應(yīng)的設(shè)計保證了產(chǎn)品的可靠性，確保在汽車全壽命范圍內(nèi) IGBT模塊安全可靠地工作

除此之外，easy module內(nèi)置NTC溫度電阻，將更好地檢測系統(tǒng)溫度，以便及時作出反饋，緊湊的設(shè)計擁有極高的功率密度，優(yōu)化后的端子布局有助于降低高壓母排走線難度，并大大降低系統(tǒng)雜散電感。

• easy module的技術(shù)特點

easy module在技術(shù)上具有以下特點：

1）靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在Easy 1B、easy 2B 兩種外形封裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，easy module通過不同的內(nèi)部芯

片布局和端子引線，可以靈活組合出不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及不同功率等級，服務(wù)于多樣化的應(yīng)用需求，有效降低產(chǎn)品成本，同時又可以保證設(shè)計的靈活性（如圖3所示）。

（a）IGBT全橋模塊（6管IGBT，內(nèi)置NTC溫度電阻）

基于Ecom3 IGBT 技術(shù)，可用于三相電動機(jī)驅(qū)動，例如空調(diào)壓縮機(jī)、油泵、冷卻泵和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

（b）H橋 IGBT模塊（4管IGBT，內(nèi)置NTC溫度電阻）

基于HS3 高頻 IGBT的H橋模塊，可用于HEV的HV to LV DC/DC轉(zhuǎn)換器及車載充電器，集成4管 IGBT H橋。

（c）空調(diào)加熱器模塊

集成2路高邊及3路低邊開關(guān)，用于空調(diào)驅(qū)動，內(nèi)置溫度電阻。

2）Press fit壓接技術(shù)

Press fit壓接技術(shù)允許IGBT模塊的功率端子及信號端子與印刷電路板（PCB）的電鍍孔進(jìn)行無焊接連接，通過定義合適的PCB孔徑（略小于端子寬度），并控制壓接的力矩和行程，經(jīng)過特殊設(shè)計的端子在壓接過程中發(fā)生變形之后固定于PCB的電鍍孔內(nèi)。這種連接能夠滿足汽車等級的振動等機(jī)械性能，能滿足高溫度條件下（例如 125℃）的汽車電子工作環(huán)境溫度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

3）HS3 IGBT 高速 IGBT

通常IGBT的工作頻率被限定在10~30 kHz內(nèi)（英飛凌第三代IGBT芯片），但在DC/DC應(yīng)用中，高開關(guān)頻率能帶來更高的電源轉(zhuǎn)換效率，但需要電力電子器件能夠在100 kHz及以上的開關(guān)頻率工作，超出了三代IGBT芯片的頻率范圍。對此，英飛凌推出了HS3 IGBT （高速IGBT），優(yōu)化了開關(guān)特性，使其能滿足DC/DC快速開關(guān)的應(yīng)用要求。HS3 IGBT還能夠更快地關(guān)斷電流（如圖5），而標(biāo)準(zhǔn)3代IGBT在關(guān)斷時會有較長的拖尾，因此HS3 IGBT 能在更高的頻率下工作。另外，對比系統(tǒng)損耗，HS3 IGBT導(dǎo)通損耗略高（2.0 V 較1.6 V 略高 ），但有更低的開關(guān)損耗（0.34 mJ較0.85 mJ略低），考慮到在DC/DC應(yīng)用中開關(guān)損耗較大，因此HS3 IGBT能大大降低系統(tǒng)損耗，提高效率。

4）汽車級可靠性

可靠性是IGBT在汽車應(yīng)用中的最大挑戰(zhàn)，除了電壓、電流等常規(guī)參數(shù)的設(shè)計考慮，涉及IGBT可靠性的主要參數(shù)還有：溫度循環(huán)次數(shù)（Thermal Cycling）和功率循環(huán)次數(shù)（Power Cycling），其共同決定了IGBT的使用壽命，其他參數(shù)例如IGBT機(jī)械可靠性（振動測試）特性也需要額外的關(guān)注。針對這些要求，英飛凌汽車級IGBT模塊在設(shè)計及驗證上做了相應(yīng)的改進(jìn)，以滿足嚴(yán)苛的參數(shù)要求。

（a）功率循環(huán)

電流、電壓的切換將會引起ΔTj（結(jié)溫變化），在產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)的結(jié)溫變化幅度、工作時間及使用工況將共同影響IGBT的壽命。具體而言，IGBT導(dǎo)通電流波動時，綁定線也會隨之?dāng)[動，對綁定線和IGBT芯片連接可靠性有較大的影響，反復(fù)的擺動可能導(dǎo)致綁定線壽命的耗盡，例如綁定線和IGBT芯片焊接脫落、綁定線斷裂等，均會導(dǎo)致IGBT的損壞（見圖6）。

對此，英飛凌定義了“秒級功率循環(huán)（Power Cycling Second）”，對其產(chǎn)品有相應(yīng)要求，并通過電流加熱、外部水冷冷卻的加速老化試驗?zāi)M電氣沖擊，驗證綁定線焊接的可靠性。英飛凌汽車級IGBT需要承受這些條件而不損壞：ΔTj=60 K，最大節(jié)溫150℃，0.5 s < tcycl<5 s，150 kc次功率循環(huán)。為了滿足產(chǎn)品通過相關(guān)汽車級測試，汽車級功率模塊相對傳統(tǒng)工業(yè)模塊主要有以下改進(jìn)：綁定線材料改進(jìn)、芯片結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、綁定線連接回路的優(yōu)化以及焊接工藝的優(yōu)化。

（b） 溫度循環(huán)

在HEV中，電力電子器件通常位于前艙靠近發(fā)動機(jī)，IGBT模塊將承受較高的環(huán)境溫度和溫度變化，對IGBT模塊內(nèi)部焊接層有較大影響，原因在于IGBT模塊內(nèi)部是多層不同材料焊接而成的結(jié)構(gòu)，不同材料具有不同的熱膨脹系數(shù)（CTE），其差別會影響功率模塊的使用壽命。理論上應(yīng)該選用熱膨脹系數(shù)差別盡可能小的材料來進(jìn)行焊接組合，但這樣可能會導(dǎo)致材料成本或加工成本上升。英飛凌通過改進(jìn)后的Al2O3陶瓷基片技術(shù)，在較小幅度增加成本的前提下，同樣可以達(dá)到HEV熱循環(huán)次數(shù)的要求。英飛凌汽車級IGBT能保證在熱沖擊試驗時，-40℃至 +125℃條件下1 000次熱沖擊后完好無損。

（c） 振動測試標(biāo)準(zhǔn)

在HEV中，對 IGBT振動要求大大超過普通工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，外殼和端子將承受較大的機(jī)械沖擊，英飛凌汽車級IGBT可以承受超過5 g的機(jī)械振動和超過30 g的機(jī)械沖擊。

（d）可追溯性

英飛凌在汽車級IGBT模塊內(nèi)部DBC上放置了用于追溯的標(biāo)示，另外在模塊外殼也有三維碼，可用于產(chǎn)品追溯。（英飛凌igbt廠家）