電動(dòng)汽車中的IGBT模塊

1、電動(dòng)汽車中的IGBT模塊摘要：本文主要介紹了電動(dòng)汽車中IGBT模塊的工作原理，參數(shù)要求，可靠性標(biāo)準(zhǔn)以及常見的失效。關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)1 引言為了有效達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的，汽車技術(shù)發(fā)展正朝車輛節(jié)能化、能源多元化、動(dòng)力電氣化、排放潔凈化等方向積極推進(jìn)，發(fā)展節(jié)能汽車、代用燃料汽車與電動(dòng)汽車。2009年國(guó)家正式公布了汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃，規(guī)劃新能源汽車發(fā)展的短期目標(biāo)為電動(dòng)汽車產(chǎn)銷形成規(guī)模。同時(shí)，以電動(dòng)汽車為首的新能源汽車也成為“十二五”期間的重點(diǎn)扶持對(duì)象。在此背景下，新能源汽車，尤其是電動(dòng)汽車成為國(guó)內(nèi)乃至世界各汽車公司的研發(fā)重點(diǎn)，很多公司已向市場(chǎng)推出商業(yè)化的電動(dòng)汽車。電

2、動(dòng)汽車中需要用到大量的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，IGBT是電動(dòng)汽車中的核心器件之一，是動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分。汽車上工作條件的嚴(yán)酷性和復(fù)雜性給傳統(tǒng)的IGBT模塊技術(shù)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。2 電動(dòng)汽車中IGBT的工作原理本文所指的電動(dòng)車包括混合動(dòng)力(HEV)和純電動(dòng)汽車(EV)。以HEV為例，其主要電氣系統(tǒng)如圖1所示。IGBT主要應(yīng)用于以下兩個(gè)子系統(tǒng)中：1) 電動(dòng)控制系統(tǒng)：大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅(qū)動(dòng)汽車電機(jī);2) 車載空調(diào)控制系統(tǒng)：小功率直流/交流(DC/AC)逆變，使用電流較小的IGBT和FRD。電動(dòng)控制系統(tǒng)的IGBT需要處理的電流大，可靠性要求高，是本文討論的重點(diǎn)。電動(dòng)控制系統(tǒng)

3、的原理如圖2所示，主要是通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(PWM)的方式控制IGBT開關(guān)，將電流從DC轉(zhuǎn)換到AC(電池到電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī))或者從AC轉(zhuǎn)化到DC(電機(jī)到電池，剎車、下坡時(shí)能量回收)。對(duì)于HEV和比亞迪雙模(DM)車型來(lái)說(shuō)，除驅(qū)動(dòng)電機(jī)外，另外還有一個(gè)發(fā)電機(jī)(如圖3所示)，可以由汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)其發(fā)電，然后通過(guò)IGBT模塊AC/DC轉(zhuǎn)換后向電池充電。在DM車型中，該發(fā)電機(jī)還可以充當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用。圖1 HEV的電氣系統(tǒng)圖圖2 電控系統(tǒng)原理圖圖3 DM動(dòng)力系統(tǒng)布局3 電動(dòng)汽車中IGBT模塊的參數(shù)及可靠性要求電動(dòng)車中的電池電壓較高，一般在200V以上，電機(jī)功率也較大，要求IGBT的額定電壓在600V120

4、0V，額定電流300A以上。以比亞迪F3DM為例，電池正常工作電壓為330V，剛充滿電后，電池電壓會(huì)達(dá)到400V，IGBT工作過(guò)程中電壓過(guò)沖會(huì)達(dá)到800V以上。驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為50KW，正常行駛時(shí)，IGBT輸出電流在200A內(nèi)。輸出電流最大的工況是急加速，電流峰-峰值在1500A以上(如圖4所示)。綜合考慮以上條件，在F3DM上最終采用了1200V/600A 額定電壓電流的IGBT模塊(如圖5所示)。圖4 電動(dòng)車急加速工況下的電流波形除前面提到的電流電壓規(guī)格要求外，電動(dòng)汽車用IGBT還需滿足以下要求：1) 由于采用多個(gè)IGBT芯片并聯(lián)，需要IGBT的VCEsat具有正溫度系數(shù);2) 在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電

5、路里，IGBT的開關(guān)頻率不是太高，一般在20KHz以內(nèi)。另外由于工作電流較大，系統(tǒng)復(fù)雜，需要選擇飽和電壓(VCEsat)低，關(guān)斷特性較“軟”的IGBT;3) 在實(shí)際工作中，IGBT存在負(fù)載短路的風(fēng)險(xiǎn)，因此要求IGBT有較好的短路耐量;4) 考慮到汽車車倉(cāng)里溫度較高，IGBT的最高可工作結(jié)溫Tj不能低于150;5) RBSOA要大，具有一定的雪崩耐量;6) 耐大電流沖擊能力強(qiáng)，散熱好;7) 需要極低的EMI，避免干擾驅(qū)動(dòng)控制電路和其他外電路。電動(dòng)汽車用功率器件可靠性標(biāo)準(zhǔn)可以參考AEC-Q101，在溫度循環(huán)、功率循環(huán)、熱沖擊、機(jī)械振動(dòng)及沖擊、高低溫存儲(chǔ)、高低溫加電偏置等方面均有嚴(yán)格要求。表1是一些

6、企業(yè)提出要達(dá)到的要求：以上部分要求給電動(dòng)車用功率器件帶來(lái)了較高的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的工業(yè)級(jí)IGBT模塊設(shè)計(jì)及制造工藝技術(shù)，難以勝任汽車級(jí)的要求。4 電動(dòng)汽車中IGBT模塊的失效分析IGBT功率模塊在電動(dòng)汽車應(yīng)用時(shí)失效的原因通常有以下幾個(gè)：1) 過(guò)熱燒毀IGBT模塊工作的環(huán)境溫度高，以HEV和DM車型為例，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分，包括IGBT、電機(jī)、引擎等都在汽車前車倉(cāng)內(nèi)。引擎在工作時(shí)，發(fā)熱量巨大，如果是夏天，前車倉(cāng)內(nèi)的溫度包括給IGBT模塊降溫的冷卻水溫度可能達(dá)到70以上。因此，在一些大電流工作情況下，如果散熱不好，過(guò)溫保護(hù)不及時(shí)，IGBT模塊有可能因過(guò)熱燒毀;2) 過(guò)流燒毀電動(dòng)車在行駛過(guò)程中，由于驅(qū)動(dòng)受干擾異

7、常，或則電機(jī)堵轉(zhuǎn)、卡死等異常造成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的IGBT瞬時(shí)電流非常大，如果IGBT抗閂鎖能力或者短路耐量不高或者過(guò)流保護(hù)不及時(shí)，可能發(fā)生燒毀;3) 機(jī)械振動(dòng)損壞IGBT功率模塊在汽車應(yīng)用和其他工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)很大不同在于，汽車行駛的路況復(fù)雜，速度多變，因此，IGBT模塊可能要承受數(shù)十g的加速度振動(dòng)和沖擊。這種振動(dòng)對(duì)于模塊結(jié)構(gòu)和各引線端子的堅(jiān)固性是一個(gè)很大的考驗(yàn)。傳統(tǒng)IGBT模塊的電極基本都是焊接到DBC上后引出。電極在安裝過(guò)程中需承受一定的應(yīng)力，在汽車運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)一直承受機(jī)械沖擊和震動(dòng)，因此，焊接在DBC上的電極很難滿足此應(yīng)用的要求。4) 高、低溫循環(huán)損壞IGBT功率模塊是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)(如圖6所示

8、)，層與層之間基本靠焊接實(shí)現(xiàn)，不同層的材料不同，很難做到熱膨脹系數(shù)的完美匹配;汽車的應(yīng)用環(huán)境溫度，模塊工作和停止溫度都可能相差巨大，這就帶來(lái)了嚴(yán)重的熱沖擊和高、低溫循環(huán)的失效問(wèn)題。由于材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，原本焊接良好的焊接層，在經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的冷熱循環(huán)后會(huì)發(fā)生嚴(yán)重分層，導(dǎo)致散熱及通流能力下降，器件燒毀。表2給出了普通的工業(yè)級(jí)IGBT模塊在溫度循環(huán)后的焊接分層情況。圖6 IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖圖7 IGBT模塊中常用材料的熱膨脹系數(shù)1) 功率循環(huán)引起鍵合線失效汽車在運(yùn)行過(guò)程中，頻繁的啟動(dòng)和加速會(huì)帶來(lái)對(duì)芯片表面邦線的巨大沖擊，脆弱的邦線點(diǎn)會(huì)較快失效。功率循環(huán)帶來(lái)的失效還來(lái)源于芯片上Al線和Al金屬層和Si熱膨脹系數(shù)不一致，在功率循環(huán)過(guò)程中發(fā)生Al原子重構(gòu)導(dǎo)致Al線斷裂，如圖8所示。圖8功率循環(huán)導(dǎo)致鍵合線失效IGBT功率循環(huán)的壽命可以通過(guò)式(1)來(lái)模擬：上式中，Nf是可承受的功率循環(huán)次數(shù)，kB是波爾茲曼常數(shù)，Ea是激活能，A和是常數(shù)，Tm是功率循環(huán)時(shí)的中間溫度。5、結(jié)束語(yǔ)電動(dòng)汽車中I