英飛凌第二代HybridPACK? Drive 擴展結(jié)溫至200℃，以提升電動車加速性能

新能源車在長續(xù)航里程、低系統(tǒng)成本和緊湊輕量化方面提出了越來越高要求，優(yōu)化設計和權衡性能指標是各子部件或系統(tǒng)要考慮的主要方向。隨著多合一這種高度集成化需求，像這種8合1，7合1會增強行業(yè)技術壁壘，市場占有率逐步提升，電驅(qū)高功率密度成為一個技術發(fā)展趨勢和應用挑戰(zhàn)，功率器件Si IGBT 或SiC MOSFET能實現(xiàn)電壓、電流、頻率轉(zhuǎn)換，是新能源車從電池到電機電能傳輸和電路執(zhí)行的核心。功率器件不僅會影響系統(tǒng)成本，而且會影響產(chǎn)品的長期可靠性和使用壽命，尤其像新能源車短時加速，瞬時輸出大電流大扭矩需求，結(jié)溫Tvj.op成為器件安全運行的工作邊界和限制條件。

目前英飛凌提供的最新HybridPACK^TM Drive Gen2 SiC MOSFET都允許達到200℃，也是業(yè)界第一個標注在規(guī)格書中的最高結(jié)溫，如何使用和理解該技術特點實現(xiàn)電驅(qū)的性能優(yōu)勢，也是本文想去闡述和表達的一個思路。

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結(jié)溫Tvj定義

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按照AQG324并結(jié)合IEC60747-9/15標準，器件結(jié)溫是不能真實直接被測量的，可以間接通過測量IGBT的Vcesat或二極管的VF， 或 MOSFET的內(nèi)部體二極管VFsd 來標定測量，因此都標稱為虛擬結(jié)溫Tvj，并不特定指向模塊內(nèi)芯片的某個物理位置。簡單講，結(jié)溫描述功率半導體內(nèi)芯片溫度的空間分布，由于工作條件不同，不同部位的溫度梯度各不相同，如圖1示意為芯片表面的熱仿真結(jié)果。在產(chǎn)品規(guī)格書中有Tvj.max 為最大允許運行結(jié)溫，是定義器件自身直流電流時候的最大結(jié)溫，與實際運行條件和散熱設計沒有關系。Tvj.op為器件在開關狀態(tài)下的長期持續(xù)最大工作結(jié)溫，用于實際散熱設計和壽命分析。

在HybridPACK^TM Drive結(jié)溫定義中，還定義了短時擴展允許結(jié)溫，這是考慮正常運行工況條件下沒有考慮偶爾頻發(fā)事件的需求而延展，像電機在高溫條件下堵轉(zhuǎn)，或短時加速大電流，或低溫條件下大負載電流。模塊設計和可靠性認證都要去滿足長期運行結(jié)溫Tvj.op，同時允許在某些惡劣工況下超過長期工作條件一定時間，這些都在規(guī)格書中有承諾和定義。另外，由于IGBT或MOSFET模塊中的每個開關都是由有多個芯片并聯(lián)實現(xiàn)，如圖2為示意多個SiC芯片并聯(lián)，內(nèi)部均流效果會影響芯片之間溫度分布，模塊內(nèi)同一開關并聯(lián)芯片內(nèi)部之間或上下橋臂開關之間的溫度都會有所不同，會影響模塊整個輸出電流能力和產(chǎn)品長期運行可靠性。因此，在實際結(jié)溫評估應用中，需要采用特殊的涂黑模塊用熱成像儀來讀取結(jié)溫去標定輸出電流能力，此時內(nèi)部芯片平均等效結(jié)溫Tvj.op來評估更接近真實情況。

圖1 芯片表面溫度分布  

圖2  SiC芯片并聯(lián)

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擴展結(jié)溫Tvj.op=200℃

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相比HybridPACK? Drive  Gen1第一代產(chǎn)品，HPD  Gen2產(chǎn)品定義了持續(xù)運行最大結(jié)溫為175℃，擴展運行結(jié)溫到200℃, 累計持續(xù)時間為100h，如下表1為SiC模塊FS03R12A8MA2BA規(guī)格書中的說明，這是英飛凌第二代HPD封裝不同與友商的主要技術優(yōu)勢和特點之一。

表1 規(guī)格書上定義的結(jié)溫

器件結(jié)溫提升還需要封裝材料的優(yōu)化來配合，傳統(tǒng)都采用聚合物，第二代都采用了高溫熱耐性好的聚苯硫醚PPS材料，變形溫度一般大于260℃，除了成本比較高外，其他材料性能像抗拉強度等方面都是器件封裝比較好的選擇。器件芯片頂部和背部工藝不論焊接還是燒結(jié)工藝都要滿足高結(jié)溫需求，更為重要是AQG324可靠性測試是滿足擴展200℃結(jié)溫所必須保證的標準，如下表2是所示測試條件和標準，其是在滿足標準1000小時完成后繼續(xù)增加100小時來評估該結(jié)溫是否安全和可靠，這確保擴展結(jié)溫范圍內(nèi)器件在阻斷電壓能力和門級可靠性上安全運行和高頻開關。

表2 測試條件和標準

累積擴展結(jié)溫100h是否能滿足應用需求呢？假定汽車在整個壽命期間的平均使用時間是8000h, 按照超過175℃達到200℃最大允許時間100h，估算允許的秒級時間為100x60x60=360000s，一個加速時間沖擊到峰值溫度200℃假定為持續(xù)時間15s，允許次數(shù)為24000次，那意味整個車使用壽命期間每小時可以加速3次，如果加速時間為10s，其達到每小時4.5次。因此，從實際需求角度講，遠遠滿足頻繁加速應用需要。

擴展結(jié)溫Tvj.op=200℃能否帶來應用收益呢？用實際的應用案例來仿真評估輸出電流能力更有說服力，以FS03R12A8MA2BA為目標，第二代HPD Gen2封裝采用6個SiC芯片并聯(lián)，仿真條件: Vds=650V/700V/750V/800V, Rgon=16.9ohm/Rgoff=4.1ohm, PF=0.85, M=0.9,  fs=10kHz, Tinlet=65℃, flow rate= 12L/min，如下圖3為不同結(jié)溫條件下的輸出電流對比。

圖3  不同結(jié)溫時輸出電流對比

從最大輸出電流上看基本可以增加20A左右電流輸出能力，如果優(yōu)化門級驅(qū)動電阻用更小阻值，其由于結(jié)溫提升帶來的電流能力會更大些。因此，在某些工況下電流短時增加能夠滿足加速條件，提升主驅(qū)輸出電流性能，同時也可以滿足客戶安全結(jié)溫的降額需求。

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結(jié)溫Tvj.op測量

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電驅(qū)應用中經(jīng)常需要涂黑模塊來標定實際器件輸出電流能力，如何在實際測量中有效準確地評估擴展虛擬結(jié)溫200℃？通常結(jié)溫可以采用直接測量方法，用紅外熱成像儀通過讀取芯片表面溫度，為了防止各個區(qū)域輻射率不同而導致錯誤的測量結(jié)果，需要把被測區(qū)域涂成統(tǒng)一顏色，確保表面某物體和絕對黑體發(fā)射的紅外輻射能力，紅外成像儀必須根據(jù)被測對象設置輻射率，通常建議0.99。由于綁定線存在與芯片表面，其載流發(fā)熱也會影響結(jié)溫的測量和評估，有時讀出的最高結(jié)溫為綁定線溫度，此時不能準確讀取等效平均結(jié)溫，如圖4為芯片、綁定線溫度分布及其平均等效溫度，最高溫度點為104℃，芯片表面最高為100℃，平均等效結(jié)溫為94℃。

圖4 單個芯片上讀紅外溫度的分布

因此，需要移動芯片正上方的綁定線如下圖5中的Ta，Tb，Tc位置，此時不超過允許Tvj≈TvjIR=1/3（Ta+Tb+Tc）。通常IGBT芯片面積比SiC MOSFET大，且物理上需要獨立續(xù)流二極管FWD配合構成一個開關，有更多綁定線和鍵合點存在，容易測量結(jié)溫時候去移動綁定線位置，用熱成像儀讀各個芯片表面溫度，用平均等效結(jié)溫來判斷，二者結(jié)溫可以分開進行評估和分析。但對MOSFET而言通常要采用同步整流模式來完成續(xù)流，單獨一個芯片實現(xiàn)一個完整的開關功能，有些情況無法移動綁定線時，建議采用橢圓區(qū)域來標定芯片位置讀取溫度，如圖6所示為8個SiC MOSFET芯片測量溫度所標定的橢圓區(qū)域，其需要并聯(lián)構成一個完整開關，因此，一方面所畫橢圓區(qū)域要基本是整個芯片表面積80%左右，覆蓋了芯片絕大部分發(fā)熱區(qū)域，盡可能包含流過負載電流鍵合點的位置，另一個方面多個芯片并聯(lián)可以平均每個橢圓區(qū)域點的誤差來讀取平均結(jié)溫，更能真實反映芯片的結(jié)溫，同時減少由于綁定線上最高溫度引起的誤差和判斷，避免用某個芯片或綁定線上的最大溫度點來進行輸出電流標定，進而影響功率器件的整體輸出電流能力和性能的判斷。

圖5 芯片表面區(qū)域

圖6 芯片上方橢圓區(qū)域

因此，擴展 200℃結(jié)溫所帶來的輸出能力提升優(yōu)勢可以用上述兩種直接測量方法來評估，進而有效準確地評估產(chǎn)品的性能，確保該擴展虛擬結(jié)溫能夠帶來系統(tǒng)應用上的優(yōu)勢。