应用于混合动力/电动车辅助系统的小功率模块 easy module-2

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2.应用于辅助系统的汽车级功率模块 easy module
针对混合动力车辅助系统，英飞凌推出了 Easy module 系列汽车级 IGBT 功率模块，包 括 2 种封装： easy 1B（1-3Kw），easy 2B （1Kw-6Kw），（如图 2 所示）
主要优势如下：
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提供多种拓扑结构，可以灵活满足包括 DC/DC，电机驱动，PTC 加热器等多种应用 的需求
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Press fit 无焊接工艺大大降低了产品生产时人工成本和失效率
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HS3 IGBT 芯片能支持 100Khz 以上开关频率
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汽车级认证及相应的设计保证了产品的可靠性，确保在汽车全寿命范围内 IGBT 模块安全可靠的工作
除此而外，Easy module 内置 NTC 温度电阻将更好的检测系统温度以便及时作出反馈，紧凑的设计拥有极高的功率密度（体积/功率比），优化后的端子布局有助于降低高压母排走 线难度，并大大降低系统杂散电感。

图 2 easy module  外形封装图Easy 1B（左），easy 2B  （右）

2.1. easy module 相应的技术特点
2.1.1  灵活的拓扑结构
在 Easy 1B，easy 2B  两种外形封装结构的基础上，easy module 通过不同的内部芯片 布局，端子引线，可以灵活的组合出不同拓扑结构及不同功率等级，服务于多样化的应用需求，有效的降低了产品成本，同时又保证了设计的灵活性。（如图 3 所示）
1） IGBT 全桥模块（6 管 IGBT，内置 NTC 温度电阻）
基于 Ecom3 IGBT  技术，可用于 3 相电机驱动，例如空调压缩机、油泵、冷却 泵、电动助力转向系统
2） H 桥 IGBT 模块（4 管 IGBT，内置 NTC 温度电阻）
基于 HS3  高频 IGBT 的 H 桥模块，可用于混合动力车 HV to LV DC/DC 变换器 及车载充电器 ，集成 4 管 IGBT H 桥
3）PTC 加热器模块
集成 2 路高边及 3 路低边开关，用于 PTC 驱动，内置温度电阻

  

图 3
左起依次为
6 管全桥模块 H 桥模块 PTC 加热器模块

2.1.2 Press fit 无焊接连接技术
压接技术允许 IGBT 模块的功率端子及信号端子与印刷电路板（PCB）的电 镀孔进行连接，通过定义合适的 PCB 孔径（略小于端子宽度），并控制压接的 力矩和行程，经过特殊设计的端子在压接过程中，发生型变之后牢固的固定于 PCB 过孔内，以实现可靠的电气连接。安装好的连接能够满足汽车等级的震动 等机械性能，能满足高温度条件下例如 125°C 汽车电子工作环境温度设计标 准，汽车行业多年前就已经开始采用这种连接技术。其主要优势是可靠性的提 高(相对于焊接更出色的 FIT 率)、快速经济的装配、PCB 尺寸的缩小。

图 4
easy module 和 PCB 通过 Press fit 连接装配过程图

2.1.3
HS3 IGBT 高速 IGBT
通常 IGBT 工作频率被限定在 10Khz-30Khz 范围内（英飞凌第三代 IGBT 芯片），能很好的满足电机驱动的应用需求。在 DC/DC 应用中，高开关频率能 带来更高的电源转换效率，但需要电力电子器件能够在 100Khz 及以上的开关 频率下工作，却已超出三代 IGBT 芯片的频率范围。
对此，英飞凌推出了 HS3 IGBT （高速 IGBT），优化了开关特性使其能满 足 DC/DC 快速开关的应用要求。HS3 IGBT 能够更快的关断电流，而标准 3 代IGBT 在关断时会有较长的拖尾，因此 HS3 IGBT 能在更高的频率下工作。另外对比系统损耗发现 HS3 IGBT 导通损耗略高（Vcesat：2.0V 对应 1.6V ），但有 更低的开关损耗（Eoff： 0.34mJ 对应 0.85mJ），考虑到在 DC/DC 应用中开关 损耗较大，因此 HS3 IGBT 能大大降低系统损耗，提高效率。（如图 5）

图 5
HS3  高频 IGBT（红色）和标准 3 代 IGBT（紫色）关断波形比较

2.1.3 汽车级可靠性
可靠性是 IGBT 在汽车应用中的最大挑战，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），其共同决定了 IGBT 的使用寿命，其他参 数例如 IGBT 机械可靠性（震动测试）特性也需要额外的关注。针对这些要求， 英飞凌汽车级 IGBT 模块在设计及验证上做了相应的改进，以满足严苛的参数要求。
1）功率循环 电流、电压的切换将会引起ΔTj（结温变化），在产品全寿命周期内的结温变化幅度、工作时间及使用工况将共同影响 IGBT 的寿命。具体而言，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，均会导致 IGBT 的损坏。（如图 6 所示）

图 6.绑定线随电流波动& 绑定线失效示意图

英飞凌定义了名为‘秒级功率循环’(power cycling second 电流加热，外部水冷冷却)的加速老化试验,以模拟在电气冲击下，验证绑定线焊接的可靠性。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,为了满足产品通过相关汽车级实验测试，汽车级功率模块相 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
在 HEV 中，电力电子器件通常位于前舱靠近发动机，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响。原因在于 IGBT 模块内 部具备了多层不同材料焊接而成的结构，不同材料具有不同的 CTE（热膨胀系数）， CTE 的差别会影响功率模块的使用寿命，具体原理在于：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。理论上应该选用热膨胀系数差别尽 可能小的材料来进行焊接组合。但选用热膨胀系数十分匹配的材料在满足性能的同 时，却会导致材料成本或加工成本上升，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，有更好的热循环特性。然而 AlSiC 基板对混合动力车应用 而言成本过高。英飞凌通过改进后的 Al2O3 陶瓷基片技术，在较小幅度增加成本的 前提下，同样可以达到混合动力汽车热循环次数的要求。英飞凌汽车级 IGBT 能保 证在热冲击试验(TST Thermal Shock Test) -40°C 至 +125°C 1000 次下完好无 损。
3） 震动测试标准
在 HEV 中，对IGBT震动要求大大超过普通工业的标准，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。
4）可追溯性
英飞凌在汽车级IGBT模块内部 DBC上放置了用于追溯的标示，另外在模块外壳也有3维码，可用于产品追溯