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汽车级IGBT在混合动力车中应用-1

汽车级IGBT在混合动力车中应用-1

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。
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