混合動力電動汽車(HEV)能把污染物排放量降低1/3至1/2，最新車型甚至可能把排放量降得更多。但是，HEV需要大功率的成本效益型電源開關(guān)，到目前為止，大功率開關(guān)產(chǎn)品因為成本高，可靠性達(dá)不到汽車應(yīng)用的期望，而無法適合汽車應(yīng)用。本文提出了采用塑料封裝的高性能、低成本IGBT設(shè)計制造功率電子模塊的創(chuàng)新工藝，這項技術(shù)優(yōu)化了電源開關(guān)和電源轉(zhuǎn)換器的功率處理能力，提高了可靠性。
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圖1：并行HEV的基本架構(gòu)。 |
混合動力電動汽車(HEV)把普通汽車的內(nèi)燃機(jī)和電動汽車的蓄電池及電動機(jī)組裝在一輛汽車上，為汽車提供牽引力。HEV給用戶帶來了普通汽車和電動汽車的雙重好處：燃油行駛距離延長和加油快速；節(jié)省能源和環(huán)保。與普通汽車相比，HEV的實際優(yōu)點(diǎn)是燃油效率提高，尾氣排放降低。HEV能把形成煙霧污染的污染物降低到當(dāng)前的平均水平以下，盡管如此，混合動力汽車并不是真正的零排放，因為汽車畢竟還需要內(nèi)燃機(jī)提供動力。第一批上市的混合動力汽車將會把導(dǎo)致全球變暖的污染物排放量降低1/3至1/2，最新車型甚至可能會把排放量降得更多。社會生態(tài)環(huán)境目標(biāo)包括提高燃油經(jīng)濟(jì)性、降低溫室效應(yīng)排放、減少廢氣排放和在城市中心推廣純電動汽車。提高駕駛體驗的目標(biāo)包括在紅綠燈處使用電動機(jī)起步停車，起步或換檔時使用電動機(jī)增大牽引力，通過電動機(jī)為車輪提供連續(xù)的扭矩。
圖1所示是一個并行HEV的基本架構(gòu)，并行結(jié)構(gòu)是指內(nèi)燃機(jī)與電動機(jī)的機(jī)械動力同向合并在一起，向車輪提供扭矩。短距離行駛可以使用電動模式，而長途行駛則需要內(nèi)燃機(jī)提供動力，當(dāng)提高汽車動力輸出，需要最大扭矩來時，內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)的兩個扭矩則合在一起。
HEV對安全性和可靠性的要求非常嚴(yán)格，是條件極為苛刻的安全系統(tǒng)。與此同時，HEV需要大功率的成本效益型電源開關(guān)，但是，到目前為止，大功率開關(guān)產(chǎn)品因為成本高，可靠性達(dá)不到汽車應(yīng)用的期望，而無法適合汽車應(yīng)用。ST提出了采用塑料封裝的高性能、低成本的IGBT設(shè)計制造功率電子模塊的創(chuàng)新工藝，這項技術(shù)同時優(yōu)化了電源開關(guān)和電源轉(zhuǎn)換器的功率處理能力、可靠性和成本。
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圖2：并行HEV的功能示意圖。 |
圖2是一個并行HEV的功能示意圖。逆變器模塊內(nèi)置驅(qū)動電機(jī)所需的主動開關(guān)，我們已經(jīng)實現(xiàn)了對逆變器模塊的改進(jìn)方案。對于電動汽車來說，電動設(shè)備的主要目標(biāo)是成本低，可靠性高，總體積小，這個目標(biāo)的確是一個艱巨的挑戰(zhàn)。從成本和可靠性角度看，功率晶體管分立器件的標(biāo)準(zhǔn)塑料封裝成本低廉而可靠性極高，相反，大功率模塊價格昂貴，由于封裝復(fù)雜，產(chǎn)量低，這些模塊暴露出可靠性低的缺陷。對于表面貼裝器件，這兩者之間的差距更加懸殊，因此這些模塊不適合低成本應(yīng)用。另一方面，汽車應(yīng)用需要的是平均質(zhì)量水平AOL小于百萬分之一的成本極低的電子元器件。
針對這些情況，現(xiàn)在ST采用量產(chǎn)加工設(shè)備制造出一種新型的能夠封裝大尺寸芯片(大約300 x 400 mils2)的表面貼裝塑料封裝，這項工藝將大幅度降低封裝成本。此外，表面貼裝還降低了產(chǎn)品組裝所需的勞動成本，從而進(jìn)一步降低制造成本，通過改進(jìn)過程控制還可以提高可靠性。這個封裝技術(shù)是模塊化的，為汽車制造商提供了更高的獨(dú)立性，降低了對模塊供應(yīng)商的依賴性。本文介紹采用表面貼裝技術(shù)，把一個新設(shè)計的IGBT和一個高速二極管整合在一個大功率塑料封裝內(nèi)的新模塊，這個解決方案將可靠性極高的完整的雙向電流開關(guān)組件與大批量制造技術(shù)完美地結(jié)合在一起，這個兼用IMS技術(shù)和2*8 Max247封裝實現(xiàn)的完整模塊是一個車用400A 600V電力橋單元。該項開發(fā)成果屬于EC Brite Euram成立的 INMOVE(并行混合動力電動汽車的電子驅(qū)動系統(tǒng)集成模塊)項目的一部分。
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圖3：600V, 400A IGBT 模塊示意圖。 |
400A模塊設(shè)計
在INMOVE項目開發(fā)期間，根據(jù)一份有關(guān)效能、可靠性、總體積、冷卻條件和成本的調(diào)查報告提議的基本原則，我們?yōu)殡妱油七M(jìn)單元逆變器設(shè)計制造了一個600V 400A的功率模塊。這個逆變器的拓?fù)涫且粋€普通的硬開關(guān)B6配置，由三個內(nèi)置續(xù)流二極管的半橋組成，每個半橋必須處理最高600V、400A的功率。
實現(xiàn)強(qiáng)電流開關(guān)的有效方式是并聯(lián)幾個很小的元器件。設(shè)計能夠處理400A峰值電流的電源開關(guān)，需要在不同的級別使用并聯(lián)技術(shù)，包括器件連接(電、熱和機(jī)械)和驅(qū)動電路。實際制造這樣的一個開關(guān)需要解決各種問題，如主動開關(guān)特性、雜散電感均衡、電源終端連接和熱導(dǎo)。
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使用并聯(lián)器件設(shè)計400A的電源開關(guān)模塊需要確定：
- 在同一模塊內(nèi)工作的元器件的選擇標(biāo)準(zhǔn)，確保每個元器件之間的電流和損耗比例正確，這個標(biāo)準(zhǔn)適用于所有功能區(qū)。
- 模塊結(jié)構(gòu)(開關(guān)、橋臂、全橋)須最大限度降低并聯(lián)拓?fù)洚a(chǎn)生的寄生效應(yīng)。
- 技術(shù)單元(電隔離、散熱條件、機(jī)械強(qiáng)度) 。
我們以前的文獻(xiàn)對這些內(nèi)容進(jìn)行了全面、詳實的分析，而且，我們根據(jù)最后的結(jié)果實現(xiàn)了功率模塊。這個功率模塊是通過并聯(lián)STGY40NC60VD器件(主要特性見表1)，并將其組裝在一個低成本襯底如IMS(隔離金屬襯底)上實現(xiàn)的。模塊的功能示意圖見圖3。
下面概括最終模塊的主要特性：
- 大小： 150 x 83 x 18 mm
- 組裝在 IMS 襯底BERQUIST THERMALCLAD， 其特性包括：底層 3.2mm 鋁 6061 T6、電介質(zhì)層 75um、電路層ED 銅 140um、熱阻 0.65℃ cm2/Watt、電容 70 pF/cm2
- 主動開關(guān)是STGY40NC60VD，它是由一個 600V、50A快速IGBT和一個反并聯(lián)的二極管組裝在一個新的TO Max247T M塑料封裝內(nèi)構(gòu)成的。 這些器件的選擇條件是室溫， 插入方程式1
- 每個100A橋臂的電源連接都使用螺紋接線端子；控制功能連接使用插入式接線端子。
- 連接一個串聯(lián)的獨(dú)立的10Ω電阻，以消除振動，同時一個10KΩ電阻與兩個18V 齊納二極管背對背連接，以保護(hù)柵極。為了實現(xiàn)快速驅(qū)動，需要在發(fā)射極建立一個獨(dú)立的Kelvin通道，同時，器件過溫保護(hù)還需要一個去飽和檢測連接。
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圖4：600V、400A 功率模塊原型。 |
圖4所示是功率模塊最后組裝的圖片：四個600V、100A橋臂由一條螺釘固定的總線并聯(lián)在一起。
我們對功率模塊在不同的管殼溫度下的電氣特性給予了描述說明，表2概括了在典型器件上測到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值。表3為熱阻參數(shù)。
這些新的400A半橋功率模塊被應(yīng)用到一個電源逆變器內(nèi)，而逆變器則控制并供給一個30KW的永磁同步直流電機(jī)，該電機(jī)用作混合動力汽車的附加牽引力。
除汽車應(yīng)用的可靠性要求外，還需要優(yōu)化成本結(jié)構(gòu)。因此，利用電源模塊的額定峰壓實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的額定電壓電流具有重要的意義。為了在減去某些安全極限后最大限度地使用額定電壓，需要設(shè)計一個低電感直流連接，這種方法能夠把IGBT開關(guān)引起的瞬間電壓降低到最低限度，這個方案最后是一個緊湊的設(shè)計，由短互連線和一條平面總線(兩個并列的隔離銅層)組成，總線在緩沖電容器與所有的IGBT功率模塊之間分配電源電壓的正負(fù)電勢。逆變器的原型設(shè)計在一個鋁殼體內(nèi)，殼體底部配有一個水冷散熱系統(tǒng)。
結(jié)論
在本文中，我們介紹了一種利用標(biāo)準(zhǔn)塑料封裝器件和IMS技術(shù)實現(xiàn)功率模塊的新方法，這種方法主要用于汽車應(yīng)用，新功率模塊的主要優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：
- 低外廓封裝設(shè)計。
- 提高與汽車溫度有關(guān)的可靠性(熱故障)。
- 滿足振動和震動要求。
- 電流額定值靈活，無需巨額的加工成本(可升級設(shè)計: 50A, 100A, 150A,..)。
- 重新定制設(shè)計時降低成本。
初步的量產(chǎn)成本評估結(jié)果顯示，從年產(chǎn)量1萬件新型功率模塊來看，其比普通功率模塊并沒有太大的成本優(yōu)勢，可能由于可靠性的提升還使成本略有上升，但是后續(xù)的調(diào)查特別是在對大批量生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)查時應(yīng)該顯示成本會降低。