用于电动汽车的功率半导体模块设计

1、用于电动汽车的功率半导体模块设计 汽车行业目前正在经受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，内燃机引擎中都在用法燃油泵和活塞，而现在正在被锂离子电池、和所取代。简言之，汽车正在变得越发化。汽车的第一次电子化可能仅仅被看作是增强其电子含量的演练，或在适应现有的非汽车系统(如高压工业驱动器)，终于适应汽车中的应用。然后，采纳这种办法将会大大低估可能濒临的挑战。在功率和等级方面，就目前的相像度而言，它们都与相关的工业离线应用类似。在汽车世界里，空间和分量都受到限制，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，而让问题变得越发严峻的是

2、，纯电动车(ev)中的能源供给是有限的，因此效率就成为关键所在。所以，我们还不能忽视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、牢靠性和精彩的功率密度方面举行了优化)举行竞争。这是一个新兴的市场，需要特地基于这一因素开发解决计划! 在众多中，需求最多的便是主逆变器，在这里，采纳特地针对应用举行开发的芯片和封装解决计划至关重要。在(h)ev进展早期，普遍采纳工业“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。它们普通包括igbt和，额定电压为600v或1200v，结温最高达到150。在室温范围内，短路庇护性能限

3、制在6s.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，采纳具有更高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。与此相协作的性能主要针对在175的结温下运行的器件，不止限制时光量(如一些替代技术)，而且温度始终为175。由于具有更高的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计划的需

4、求，这可以限制，又或者，系统确实可以更快的转换，获得更多的优势，如降低电机尺寸。与器件的主逆变器的庇护相关的高功率水平明显是十分重要的，对于这种高温环境下开关的短路庇护性能同样也十分重要。coolirigbt器件能够针对性能平衡举行优化，但是普通是设计用于处在150，起码6s的短路庇护时光。庇护特性通过芯片上的感应终于完成。图1总结了新的igbt平台的一些特性。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，必需采纳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的超迅速软件复原二极管，提供了无振铃性

5、能。err和vf按照应用举行平衡，很重要的一点是熟悉到针对空调应用，err和vf的平衡将与主逆变器的需要有所不同。终于，24至600a的二极管系列，都按照典型的应用，在每个电流水平上得到优化。近年来，对于稀土金属供给及成本的关注不断增强，促使电机厂商不得不寻求替代解决计划。电机变得更小型、更轻便，而且同时还需要1520khz的频率范围(传统频率为5-10khz)，这种状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行管理。更高的频率还意味着必需把关注点放在寄生电感、特殊是封装上面。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

6、高芯片的性能。随着半导体技术变得越来越好，关注的重点也开头转移到封装上面。封装究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，假如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。图2：半导体封装对于功率电子系统的影响成本、牢靠性和电子性能及热性能都会受到封装的挺直影响。但是封装的另外一个特性也变得越来越重要即结构因数。因为oem推进了功率、效率、可升级性和牢靠性要求的提升，因此，成本、分量、尺寸和电感都被要求降低。功率电子集成到电机和制冷设备中的能力日益提高，这带来了很大的价值。传统的通常只能为紧凑型机电一体化提供十分有限的范

7、围，而且的确，假如挑选了这种解决计划，定制化电源模块将会很快就变得更昂贵，也越发的死板。在这样的功率水平下，我们认为分立式元件难于应用，或者真正可用的解决计划根本不能够处理足够的功率。最初被弃用的“分立式”办法现在要被主逆变器重新拜访，由于需要电子元件和机机械元件越发紧凑的集成。目前，在量产中的一种解决计划是采纳超级to-247封装。搭载一个120a igbt和二极管的auir4067d1器件同时还允许可升级的解决计划，典型地，用来满足30至80kw范围主逆变器。与传统to-247封装(3所示)相比，专利型超级to-247封装具有一些独有的特性：首先是采纳一个夹子将部件附着在散热器上，除去了传

8、统to-247封装上浮现的螺丝孔，将封装内部的空间最大化，以容纳最大可能的芯片。为了与芯片的大电流处理性能相配置，特有的切角引线实现了比传统to-247封装高出30%的横截面积，从而提高了他们的电流处理性能，并且使得器件运行温度更低，有更少的寄生电感。切角横截面同样可以使器件能安装到标准to-247封装里。封装上，引脚之间的沟槽增强了爬电距离。终于，符合aec-q101的部件要经历苛刻的最后测试程序，它包括了正方形rbsoa和100%箝位电感负载测试。图3：专利型超级to-247封装的优势简化厂商成本和栅极驱动要求的努力不断推动，客户希翼在其应用中降低并联的igbt和二极管的数量，因此要求大面

9、积芯片的解决计划。因为最新的igbt和二极管技术是基于超薄芯片技术，当你从超级to-247这样的传统分立式封装中搬出，构建、处理基至是测试这样的半导体元件就会弥漫挑战。基于这种缘由，可以容纳大的igbt和二极管芯片的分立式封装价值巨大，它们都彻低经过测试并且易于安装。coolirdie就是正在开发的解决计划这一。dbc封装的壳内包括一个680v，300a igbt和一个二极管对，每个芯片都具有可焊接前端金属表面处理。图4给出coolirdie封装理念的概览。图4：coolirdie封装囫囵无铅coolirdie都是彻低的动态供给并经过静态测试，达到其卷带封装上的额定电流。这就使得客户能够采纳一

10、处标准的挑选并将机器安置到已经预备好的带焊盘准的基座上，处理300a的超薄igbt和二极管产品。这一部件回流到基底，取代了与大功率模块相关的线步骤。省去引线键合，提高了牢靠性和良率，并且降低了成本、寄生和电感。这些器件可采纳两种版本(正装和倒装芯片)，可以在一个单独的基底上形成十分紧凑的半桥布局，无需复杂的布局模式(5所示)。图5：采纳coolirdie的紧凑型半桥构建实际上，封装两端上的电子衔接甚至还可以允许封装用作，可以用法一些能够迅速升级的创新型的逆变器布局，6所示。图6：采纳coolirdie的可升级逆变器设计将可焊接前端金属增强到硅片上，意味着芯片可以在两面举行焊接，因此去除了对于焊

11、线的需求。这同样还有一个优点，释放出了传统用于焊线的芯片顶部空间而现在这种空间可用于冷却。通过从两面向部件举行制冷的性能，可以将电流处理性能提升50%或者的确降低相像工作点上的芯片尺寸，并进而降低成本。假如无需双面制冷，那么仅仅的增强一个顶端的散热量就可以证实其在提高组装的散热性能方面十分有效，进而可以协助提升短时光峰值电流能力。省去焊线不仅可以简化生产并提高冷却，同时还可以增加电子性能。采纳coolirdie封装的600a半桥模块已经构建起来，展示了低于12nh的回路电感，允许器件可以更快地开关，限制了电压击穿并提高了效率。终于，像这种无焊线封装概念具有极低的封装电阻也许比传统的焊线组装低出0.5m。在一个大的电源系统上，如(h)ev的主逆变器上，半毫欧看起来像一个无关仅要的小数据，但实际上却并非如此。因为所涉及的电流十分高，因此，在400a的电流下，节约0.5m的电阻可以削减80w无用功耗。在电阻中的这种节约是提高效率的一个乐观步骤，并终于提升了汽车运行里程。起初看似过于复杂，甚至可能没有须要谈及集成的功率电子和机械组装。但是达到机电一体化的更高水平不