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工程师经验:如何设计用于电动汽车的功率半导体模块

导读: 在众多电动汽车中,需求最多的便是主逆变器,在这里,采用专门针对应用进行开发的芯片和封装解决方案至关重要。在(H)EV发展早期,普遍采用工业"砖"型模块(这些最初是设计用于工业离线应用),因此对于汽车的功率密度以及有限结构因数的限制基本没有考虑。

  汽车行业目前正在经历一个重大的技术变革时期,这已经是个不争的事实。过去100多年里,内燃机引擎中都在使用燃油泵和活塞,而现在正在被锂离子电池、逆变器和IGBT所取代。简言之,汽车正在变得更加电子化。汽车的第一次电子化可能仅仅被看作是增加其电子含量的演练,或在适应现有的非汽车系统(如高压工业驱动器),最终适应汽车中的应用。然后,采用这种方法将会大大低估可能面临的挑战。在功率和电压等级方面,就目前的相似度而言,它们都与相关的工业离线应用类似。在汽车世界里,空间和重量都受到限制,而且环境也很恶劣,0ppm(ppm=不合格品个数*1000000/批量)质量至关重要,而让问题变得更加严重的是,纯电动车(EV)中的能源供应是有限的,因此效率就成为关键所在。所以,我们还不能忽略对于低成本系统的需求,要与内燃机引擎(在过去几十年里,这一技术在鲁棒性、可靠性和出色的功率密度方面进行了优化)进行竞争。这是一个新兴的市场,需要专门基于这一因素开发半导体解决方案!

  在众多电动汽车中,需求最多的便是主逆变器,在这里,采用专门针对应用进行开发的芯片和封装解决方案至关重要。在(H)EV发展早期,普遍采用工业"砖"型模块(这些最初是设计用于工业离线应用),因此对于汽车的功率密度以及有限结构因数的限制基本没有考虑。它们一般包括IGBT和二极管,额定电压为600V或1200V,结温最高达到150℃。在室温范围内,短路保护性能限制在6μs。在汽车世界中,一个重要的因数是工作温度范围,其最低可以达到-40℃,在更低的温度下,IGBT和二极管的BV(击穿电压)下降,器件处理电压峰值时,潜在的会带来一些问题。为此,采用具有更高BV的功率元件将会受益,CooliRIGBT Gen 2平台便是一个示例。

  超薄晶体IGBT技术,额定电压为680V,24A至600A的芯片尺寸,在-40℃温度,最低600V的BV下,能够实现良好的Vce(on)性能。与此相配合的性能主要针对在175℃的结温下运行的器件,不止限制时间量(如一些替代技术),而且温度始终为175℃。因为具有更高的BV的缘故,更高的电压峰值可以适应系统,因此降低了对于高成本解决方案的需求,这可以限制电感,又或者,系统的确可以更快的转换,获得更多的优势,如降低电机尺寸。与器件的主逆变器的保护相关的高功率水平显然是非常重要的,对于这种高温环境下开关的短路保护性能同样也非常重要。CooliRIGBT器件能够针对性能平衡进行优化,但是一般是设计用于处在150℃,至少6μs的短路保护时间。保护特性通过芯片上的电流感应最终完成。图1总结了新的IGBT平台的一些特性。   

设计用于电动汽车的功率半导体模块

  图1:CooliR IGBT和CooliR二极管特性的总结

  为了保证最佳的系统效率,必须采用一个适当的二极管与IGBT相搭配。图1还介绍了CooliRDIODE Gen 2,这是一款超薄芯片,680V的超快速软件恢复二极管,提供了无振铃性能。Err和Vf根据应用进行平衡,很重要的一点是认识到针对空调应用,Err和Vf的平衡将与主逆变器的需要有所不同。最终,24至600A的二极管系列,都根据典型的应用,在每个电流水平上得到优化。近年来,对于稀土金属供应及成本的关注不断增加,促使电机厂商不得不寻求替代解决方案。电机变得更小型、更轻巧,而且同时还需要15~20kHz的频率范围(传统频率为5-10kHz),这种情况现在变得越来越普遍。与此相对应,这需要具有优异的高速度开关性能的IGBT和二极管,以保证开关损耗不会变得不可管理。更高的频率还意味着必须把关注点放在寄生电感、特别是封装上面。

  在功率半导体的早期,对于研发投入大量资金的关注点是提高芯片的性能。随着半导体技术变得越来越好,关注的重点也开始转移到封装上面。封装毕竟是影响系统的一个因素--无论从电子方面还是散热方面上。图2总结了封装能够对系统产生的影响--从根本上讲,如果放置在一个较差的封装中,系能优异的半导体器件仅能实现极少的价值。

设计用于电动汽车的功率半导体模块

  图2:半导体封装对于功率电子系统的影响

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