汽车级IGBT在混合动力车中的应用

引言

　　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。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℃，