- 汽車級IGBT高可靠性要求
- 汽車級IGBT可靠性改進
- IGBT功率循環(huán)
- IGBT溫度循環(huán)
針對汽車功率模塊需求,英飛凌通過增強IGBT的功率循環(huán)和溫度循環(huán)特性,并增加IGBT結構強度,大大提高了IGBT的壽命預期。
混合動力車輛中功率半導體模塊的要求
工作環(huán)境惡劣(高溫、振動)
IGBT位于逆變器中,需要在高環(huán)境溫度及機械沖擊下,按照特定的汽車驅動工況,為混合系統(tǒng)的電機提供能量。
根據不同車輛設計,逆變器可能放置在汽車尾箱、變速箱內或引擎蓋下靠近內燃機的位置,因此IGBT模塊要經受嚴峻的溫度(-40℃~150℃)和機械條件(振動、沖擊)的考驗。
IGBT模塊通常采用發(fā)動機冷卻液冷卻,環(huán)境溫度在極限情況下可達Ta=105℃,對功率模塊的功率密度及散熱設計提出了更高的要求。
復雜的驅動工況
不同于工業(yè)應用中電機拖動,混合動力車輛驅動工況更復雜,例如對應城市工況,需要頻繁切換于加速、減速、巡航各個狀態(tài),因此通過IGBT的電流、電壓并非常量,而是隨車輛工況反復循環(huán)波動,IGBT模塊需要在電流、電壓循環(huán)沖擊下可靠運行。
高可靠性要求
IGBT功率模塊失效將會導致車輛立刻失去動力,嚴重影響整車廠商信譽和用戶使用體驗。
汽車生產廠家需要IGBT模塊在HEV全壽命周期中無需更換,對IGBT的耐久性提出了更高要求(汽車整車設計壽命15年)。
成本控制要求
大規(guī)模生產的汽車不同于列車牽引應用,在性能要求很高的條件下,不能通過增加成本的方法換取可靠性,需要在成本和性能上達到平衡,對產品的設計提出了更高的要求。因此,針對汽車應用中各種限制條件,需要專用IGBT才能滿足苛刻的應用需求。
IGBT結構
圖3顯示了帶基板的功率模塊的結構。兩側都帶薄銅層的陶瓷襯底被焊接在基板上。IGBT芯片被焊在設計好的銅層上。芯片的表面通過綁定線(bondingwire)壓焊到銅層上。大多數標準模塊采用這種制作方法。目前70%到80%的功率模塊都按照標準模塊結構來制造。陶瓷一般采用Al2O3,基板采用銅為材料。IGBT底板通過導熱硅脂安裝散熱器。
英飛凌汽車級IGBT可靠性改進
可靠性是IGBT應用于汽車中的最大挑戰(zhàn),除了電壓、電流等常規(guī)參數的設計考慮,涉及IGBT可靠性的主要參數有:溫度循環(huán)次數(thermalcycling)和功率循環(huán)次數(powercycling),決定了IGBT的使用壽命,其他參數例如IGBT機械可靠性特性也需要額外的關注。
功率循環(huán)
通常,逆變器設計主要考慮IGBTTjmax(最高結溫)的限制,但在混合動力車應用中,逆變器較少處于恒定工況,加速、巡航、減速都會帶來電流、電壓的改變,由此帶來的ΔTj(結溫快速變化)將會更大程度影響IGBT的壽命,IGBT導通電流波動時,綁定線也會隨之擺動,對綁定線和IGBT芯片連接可靠性有較大的影響,反復的擺動可能導致綁定線壽命的耗盡(EOL,EndofLife),例如綁定線和IGBT芯片焊接脫落、綁定線斷裂等,直接導致IGBT的損壞。
[page]
為了模擬汽車運行工況,針對HEV頻繁的加速、減速、巡航帶來的電流沖擊,英飛凌定義了“秒級功率循環(huán)試驗”(powercyclingsecond,電流加熱,外部水冷冷卻),通過加速老化試驗,模擬電氣沖擊下綁定線的焊接可靠性,英飛凌汽車級IGBT需要承受ΔTj=60k,最大節(jié)溫150℃,0.5s<tcycl<5s,150kc次功率循環(huán)而不損壞。
相對于傳統(tǒng)工業(yè)應用,混合動力車(HEV)中的IGBT工作環(huán)境惡劣,因而對IGBT長期使用的可靠性提出了更高的要求。
相對傳統(tǒng)工業(yè)模塊主要有以下幾點改進:
●綁定線材料改進;
●芯片結構加強;
●綁定線連接回路優(yōu)化;
●優(yōu)化后的焊接工藝。
溫度循環(huán)
逆變器在HEV中,通常位于前艙靠近發(fā)動機或位于傳動機構附近,IGBT模塊將承受較高的環(huán)境溫度和溫度變化,對IGBT模塊內部焊接層有較大影響。
IGBT模塊由多層不同材料組成(見圖3),每種材料具有不同的CTE(熱膨脹系數),CTE的差別會影響功率模塊的使用壽命,當模塊使用時,溫度的變化會在不同層間產生機械應力而導致焊接脫落,我們的目標是選用熱膨脹系數差別盡可能小的材料來進行焊接組合。但另一方面,即使它們的熱膨脹系數十分匹配,因為材料本身的成本可能會太高,或者在生產過程中難以被加工或加工成本太高。例如列車牽引應用中的AlSiC基板。熱膨脹系數和襯底幾乎相同,因此有更好的熱循環(huán)特性。但對混合動力車應用因成本過高而很難被接受。
英飛凌通過改進后的Al2O3陶瓷基片技術,在不大幅度增加成本的前提下,同樣可以達到混合動力汽車中熱循環(huán)次數的要求。
通常IGBT模塊通過被動溫度循環(huán)(ThermalCycling)加速測試焊接可靠性,對于汽車級IGBT,英飛凌定義更嚴酷的熱沖擊試驗(TST,ThermalShockTest),相對TC試驗有更大的溫度變化范圍,-40℃~+125℃,1000次循環(huán)(普通工業(yè)模塊TST只需50次)。
按照英飛凌計算方式,汽車級IGBT模塊壽命為工業(yè)級2.5倍,為牽引級1/4,可滿足汽車全壽命使用無需更換模塊要求,又很好地平衡了成本。
機械結構的加強
除了對上述IGBT內部封裝工藝的改進,英飛凌汽車級IGBT還對IGBT外殼和接線端子進行了增強,包括溫度特性和機械結構特性的加強,以應對汽車嚴酷的應用環(huán)境,例如以下幾個方面。
(1)溫度特性加強。相較通常工業(yè)應用,汽車內IGBT需要承受較高的溫度沖擊,如果IGBT的外殼材料不夠堅固,將會在溫度沖擊下斷裂損壞,英飛凌汽車級IGBT需在熱沖擊試驗-40℃~+125℃1000次下完好無損。通過塑料材料和優(yōu)化的工藝參數,改進后的IGBT外殼可靠性大大增強。
(2)結構特性加強。在HEV中,IGBT震動大大超過普通工業(yè)模塊,外殼和端子將承受較大的機械沖擊,英飛凌汽車級IGBT可以承受超過5g的機械振動和超過30g的機械沖擊。
英飛凌汽車級IGBT產品
為滿足汽車級應用,英飛凌對推出HEV專用的IGBT模塊,包括2款產品:
●HybridPACK1—400A/650VIGBT6單元,針對電機功率20kW~30kW左右的輕度混合動力汽車;
●HybridPACK2—800A/650VIGBT6單元,針對電機功率80kW左右的的全混合動力車。
主要的產品特點:
●6單元IGBT簡化逆變器設計;
●工作結溫為150℃,最大節(jié)溫175℃;
●IGBT技術;
●改進后的綁定線工藝;
●改進后的陶瓷基片增加焊接可靠性;
●6NTC;
●改進后的綁定線工藝;
●改進后的陶瓷基片增加焊接可靠性;
●直接水冷系統(tǒng),提升模塊散熱能力。
隨著功率器件在汽車中越來越多地應用,對可靠性提出了更高的要求,例如本文描述的功率循環(huán)和溫度循環(huán)特性。針對汽車應用,英飛凌推出的汽車級IGBT模塊具有高可靠性、長壽命、適中成本的特點,只有在混合動力汽車應用需要專用的功率半導體模塊,才能保證核心零部件的可靠性,直接關系著混合動力車的成功與否。