設(shè)計用于電動汽車的功率半導(dǎo)體模塊
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在眾多電動汽車中，需求最多的便是主逆變器，在這里，采用專門針對應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)的芯片和封裝解決方案至關(guān)重要。在(H)EV發(fā)展早期，普遍采用工業(yè)“磚”型模塊(這些最初是設(shè)計用于工業(yè)離線應(yīng)用)，因此對于汽車的功率密度以及有限結(jié)構(gòu)因數(shù)的限制基本沒有考慮。它們一般包括IGBT和二極管，額定電壓為600V或1200V，結(jié)溫最高達(dá)到150℃。在室溫范圍內(nèi)，短路保護(hù)性能限制在6μs。在汽車世界中，一個重要的因數(shù)是工作溫度范圍，其最低可以達(dá)到-40℃，在更低的溫度下，IGBT和二極管的BV(擊穿電壓)下降，器件處理電壓峰值時，潛在的會帶來一些問題。為此，采用具有更高BV的功率元件將會受益，CooliRIGBT Gen 2平臺便是一個示例。
超薄晶體IGBT技術(shù)，額定電壓為680V，24A至600A的芯片尺寸，在-40℃溫度，最低600V的BV下，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的Vce(on)性能。與此相配合的性能主要針對在175℃的結(jié)溫下運行的器件，不止限制時間量(如一些替代技術(shù))，而且溫度始終為175℃。因為具有更高的BV的緣故，更高的電壓峰值可以適應(yīng)系統(tǒng)，因此降低了對于高成本解決方案的需求，這可以限制電感，又或者，系統(tǒng)的確可以更快的轉(zhuǎn)換，獲得更多的優(yōu)勢，如降低電機(jī)尺寸。與器件的主逆變器的保護(hù)相關(guān)的高功率水平顯然是非常重要的，對于這種高溫環(huán)境下開關(guān)的短路保護(hù)性能同樣也非常重要。CooliRIGBT器件能夠針對性能平衡進(jìn)行優(yōu)化，但是一般是設(shè)計用于處在150℃，至少6μs的短路保護(hù)時間。保護(hù)特性通過芯片上的電流感應(yīng)最終完成。圖1總結(jié)了新的IGBT平臺的一些特性。
圖1：CooliR IGBT和CooliR二極管特性的總結(jié)
為了保證最佳的系統(tǒng)效率，必須采用一個適當(dāng)?shù)亩O管與IGBT相搭配。圖1還介紹了CooliRDIODE Gen 2，這是一款超薄芯片，680V的超快速軟件恢復(fù)二極管，提供了無振鈴性能。Err和Vf根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行平衡，很重要的一點是認(rèn)識到針對空調(diào)應(yīng)用，Err和Vf的平衡將與主逆變器的需要有所不同。最終，24至600A的二極管系列，都根據(jù)典型的應(yīng)用，在每個電流水平上得到優(yōu)化。近年來，對于稀土金屬供應(yīng)及成本的關(guān)注不斷增加，促使電機(jī)廠商不得不尋求替代解決方案。電機(jī)變得更小型、更輕巧，而且同時還需要15~20kHz的頻率范圍(傳統(tǒng)頻率為5-10kHz)，這種情況現(xiàn)在變得越來越普遍。與此相對應(yīng)，這需要具有優(yōu)異的高速度開關(guān)性能的IGBT和二極管，以保證開關(guān)損耗不會變得不可管理。更高的頻率還意味著必須把關(guān)注點放在寄生電感、特別是封裝上面。
在功率半導(dǎo)體的早期，對于研發(fā)投入大量資金的關(guān)注點是提高芯片的性能。隨著半導(dǎo)體技術(shù)變得越來越好，關(guān)注的重點也開始轉(zhuǎn)移到封裝上面。封裝畢竟是影響系統(tǒng)的一個因素——無論從電子方面還是散熱方面上。圖2總結(jié)了封裝能夠?qū)ο到y(tǒng)產(chǎn)生的影響——從根本上講，如果放置在一個較差的封裝中，系能優(yōu)異的半導(dǎo)體器件僅能實現(xiàn)極少的價值。
圖2：半導(dǎo)體封裝對于功率電子系統(tǒng)的影響
成本、可靠性和電子性能及熱性能都會受到封裝的直接影響。但是封裝的另外一個特性也變得越來越重要——即結(jié)構(gòu)因數(shù)。由于OEM推動了功率、效率、可升級性和可靠性要求的提升，因此，成本、重量、尺寸和電感都被要求降低。功率電子集成到電機(jī)和制冷設(shè)備中的能力日益提高，這帶來了很大的價值。傳統(tǒng)的電源模塊通常只能為緊湊型機(jī)電一體化提供非常有限的范圍，而且確實，如果選擇了這種解決方案，定制化電源模塊將會很快就變得更昂貴，也更加的死板。在這樣的功率水平下，我們認(rèn)為分立式元件難于應(yīng)用，或者真正可用的解決方案根本不能夠處理足夠的功率。最初被棄用的“分立式”方法現(xiàn)在要被主逆變器重新訪問，因為需要電子元件和機(jī)機(jī)械元件更加緊湊的集成。
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