汽车级IGBT在混合动力车中应用

半导体

摘要
混合动力车电力驱动的关键组件是电机和电机驱动器，IGBT作为电机驱动器的核心，它的可靠性关系着混合动力车辆的安全运行，本文主要针对IGBT模块应用于汽车领域，所涉及的可靠性相关问题进行了探讨，提出了汽车级IGBT概念，并详细说明了英飞凌汽车级IGBT针对汽车应用做出的改进

1.简介
混合动力车中IGBT，相对于传统工业应用，工作环境恶劣，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。

2.混合动力车辆中功率半导体模块的要求

1）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°C至150°C）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

图1 .HEV中逆变器布置位置参考图

2)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,通过IGBT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

  图2  汽车各工况下，IGBT工作曲线

3）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全寿命周期中需无需更换，对IGBT的耐久性提出了更高要求，（汽车整车设计寿命15年）

4）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

3.IGBT结构简介

图3 典型IGBT结构图

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。

4.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可靠性的主要参数是：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

1）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

图4.绑定线随电流波动&  绑定线失效示意图
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

2）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影响

IGBT模块多层不同材料组成（前文图3所示），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很难被接受。

英飞凌通过改进后的Al2O3陶瓷基片威廉希尔官方网站，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。

   图5 几种典型材料的热膨胀系数&超声波扫描不同类型模块焊接情况

通常IGBT模块通过（Thermal Cycling被动温度循环），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),
如图6所示，相对TC试验有更大的温度变化范围，-40°C 至 +125C， 1000次循环，（普通工业模块TST只需50次）

图6 温度循环试验示意图
按照英飞凌计算方式，汽车级IGBT模块寿命为工业级2.5倍，为牵引级1/4,可满足汽车全寿命使用无需更换模块要求，又很好的平衡了成本
3)机械结构的加强
英飞凌汽车级IGBT的，除上述IGBT内部封装工艺的改进，还对IGBT外壳和接线端子进行了增强，包括温度特性和机械结构特性的加强，以应对汽车严酷的应用环境，例如

1)温度特性加强
汽车内IGBT较通常工业应用，需要承受较高的温度冲击，如果IGBT的外壳材料不够坚固，将会在温度冲击下断裂损坏，英飞凌汽车级IGBT需在热冲击试验(TST Thermal Shock Test) -40°C 至 +125°C 1000次下完好无损。通过塑料材料和优化的工艺参数，改进后的IGBT外壳可靠性大大增强

2)结构特性加强
在HEV中，IGBT震动大大超过普通工业模块，外壳和端子将承受较大的机械冲击，英飞凌汽车级IGBT可以承受超过5g的机械振动和超过30g的机械冲击。

图7  IGBT外壳和端子在实验中物理损坏

5.英飞凌汽车级IGBT产品
为满足汽车级应用英飞凌对推出HEV专用的IGBT模块，产品线包括2款产品
HybridPACK1  ---400A/650V IGBT 6单元
针对电机功率20kW-30KW左右的轻度混合动力汽车
HybridPACK2  ---800A/650V IGBT 6单元
电机功率80kW左右的的全混合动力车
主要的产品特点
--- 6单元IGBT简化逆变器设计
---工作结温为150℃，最大节温175°C
---IGBT³ technology
---改进后的绑定线工艺
---改进后的陶瓷基片增加焊接可靠性
---6 NTC
---改进后的绑定线工艺
---改进后的陶瓷基片增加焊接可靠性
---直接水冷系统，提升模块散热能力

图8 英飞凌混合动力专用IGBT演示系统

6.结论
随着功率器件在汽车中越来越多的应用，对可靠性提出了更高的要求，
例如本文描述的功率循环和温度循环特性，针对汽车应用，英飞凌推出的汽车级IGBT模块，具有高可靠性、长寿命、适中成本的特点，只有在混合动力汽车应用需要专用的功率半导体模块，才能保证核心零部件的可靠性，直接关系着混合动力车的成功与否，

7.参考文献
<ting of power modules for hybrid vehicle inverter>>
M. Thoben, K. Mainka, R. Bayerer,
I. Graf, M. Münzer*

<>
Ingo Graf, Mark Nils Münzer*

< Semiconductors in Hybrid Electric Vehicle>>
Vishal Jadhav  Andreas Volke

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Dr.Thomas Schütze

<>
Dr.Thomas Schütze
何耀华英飞凌科技（中国）有限公司，上海张江高科技园区松涛路647弄7-8号 201203

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